JP2023525988A - Electrochemically driven carbon dioxide separator - Google Patents

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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
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Abstract

電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータを含む電気化学デバイスが開示され、このデバイスは、陰イオン交換ポリマーおよび水酸化ニッケルなどの電荷蓄積化合物からなる電極と、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための流路を有する膜とを含む【選択図】図１An electrochemical device is disclosed that includes an electrochemically driven carbon dioxide separator, the device comprising electrodes consisting of an anion exchange polymer and a charge storage compound such as nickel hydroxide, and a carbon dioxide containing gas flowed into the membrane. and a membrane having a flow path for allowing the membrane to flow.[Selection] FIG.

Description

？関連する用途への相互参照
[0001]？この出願は、米国仮Applの利点を請求する。No
63？/027、760フィールドは、本明細書で参照により本明細書に組み込まれる、20、2020年5月20日に記載されている
？連発的にスポンジ化された研究又は開発に関する記載
[0002]？本発明は、Advanced Research Project社-Energy (ARPA-E)によって付与されたグラントDE-AR 0001034の下で政府のサポートを用いて作製された
？US Departs of Energy。政府は、本発明において一定の権利を有する ? Cross-references to related uses
[0001]? This application claims the benefit of US Provisional Appl. No
63? The /027,760 field is described on May 20, 2020, 20, herein incorporated by reference herein. Description of research or development that has been repeatedly sponged
[0002]? This invention was made with government support under Grant DE-AR 0001034 awarded by Advanced Research Projects - Energy (ARPA-E)? US Departs of Energy. The government has certain rights in this invention

？[発明の属する技術分野]
[0003]？外部電流電気化学ポンプ(eECP)としても知られている電気化学デバイス、特に電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ(EDCS)が開示されている。EDCSは、空気から二酸化炭素を分離する方法に使用することができる
？[発明の背景]
[0004]？化石燃料および他の供給源の燃焼からの二酸化炭素(CO2)の排出は、大気中のCO2の蓄積を引き起こし、すべての社会のために費用のかかる結果を伴う気候変動につながる。炭素-中性置換は、化石燃料の多くの使用に対して生存可能であるが、いくつかの用途は、経済的に実行可能な代替物が少ない？これらの用途のために、炭素系燃料の継続使用は、CO2を捕捉し、CO2を地下に隔離するか、又は再生可能エネルギーを用いてCO2を使用して燃料をカーボンニュートラルにすることによって相殺することができる。CO2排出物の大規模点源は、比較的濃縮された流れから捕捉することができる
？しかしながら、輸送および空間加熱などの化石燃料の分散使用のためには、CO2排出物を使用時点で捕捉することができない
[0005]？大気からのCO2の直接空気捕捉(DAC)は、CO2排出物の分散源を相殺するために使用することができる。加えて、DACは、社会が有する場合に、大気から以前のCO2排出物を除去する電位を有する
？大気中のCO2の許容レベルをオーバーシュートさせる。DACのための既存の技術は、主に、吸着剤または溶媒を使用して、熱および圧力に基づく分離に焦点を合わせられる
[0006]？EDCSは、電気化学的に生成された水酸化物アニオンのフラックスを使用して、ガス混合物からCO2を分離する。CO2は、水酸化物アニオンのような強塩基と反応して、炭酸塩及び重炭酸アニオンを形成する

Figure 2023525988000002
？EDCSでは、水酸化物アニオンがカソードで生成され、混合ガス流からCOsと反応する。得られた炭酸塩および重炭酸塩アニオンは、アノードに電気化学的に駆動され、水酸化物の消費は、pHを低下させる。pHの低下は、式1及び式2の平衡をシフトさせて、ガスCO2を有利にし、CO2を、それが除去された混合ガス流よりもはるかに高い分圧に濃縮することを可能にする
[0007]？原則として、水酸化アニオンを生成および消費する任意の一対の電気化学反応を、EDCSのカソードおよびアノードに使用することができる
？EDCSの前の例は、水素、酸素、および水の反応、すなわち、アノードのためのカソードおよび酸素発生反応(OER)または水素酸化反応(HOR)のための酸素還元反応(TORR)または水素発生反応(HER)に基づく。Rigon、W、A。et al (2017)。電気化学エネルギー変換および貯蔵のジャーナル；14(2)、p、020701；ランドon、J、&kithチン、J、R、J。エレクトロchem。Soc 157、B 1149(2010)；Pennline、H、W et al燃料89、1307-1314(2010)；Winnick、J？Chem Eng。Prog。86、41-45(1990)；Winnick、J。エレクトロchem。Sci Eng。1、205-248(1990)；Li、K&Li、N、Sep、Sci Technol。28、1085-1090(1993)。DACの適用のために、水素、酸素、およびウェハの4つの反応は、いくつかの理由では不十分である。トールは、空気中の酸素を所与として、便利なカソード反応であるが、トールを駆動するのに必要な運動過剰電位は、エネルギー消費を著しく上昇させる？HERは、通常空気流に失われるであろうカソードでの水素生成物の生成を含み、これは、エネルギーの有意な廃棄物を表す。アノード反応としてHORは、捕捉されたCO2の値に対して、エネルギー集約的で高価な水素の供給を必要とする？最後に、アノード反応であるOERは、大きな運動過剰電位を必要とし、酸素共存物との混合物として生成されるCO2をもたらし、その後、追加の下流分離を必要とする
[0008]？したがって、空気から二酸化炭素を除去するためのより効率的で費用対効果の高い装置および方法の必要性が存在する ? [Technical field to which the invention belongs]
[0003]? An electrochemical device, also known as an external current electrochemical pump (eECP), in particular an electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) is disclosed. EDCS can be used in a method to separate carbon dioxide from air? [Background of the Invention]
[0004]? Emissions of carbon dioxide (CO2) from the combustion of fossil fuels and other sources cause the accumulation of CO2 in the atmosphere, leading to climate change with costly consequences for all societies. Carbon-neutral replacement is viable for many uses of fossil fuels, but some uses have less economically viable alternatives? For these applications, continued use of carbon-based fuels is offset by capturing CO2 and sequestering CO2 underground, or using CO2 with renewable energy to make the fuel carbon-neutral. be able to. Can large point sources of CO2 emissions be captured from relatively concentrated streams? However, for distributed uses of fossil fuels such as transportation and space heating, CO2 emissions cannot be captured at the point of use.
[0005]? Direct air capture (DAC) of CO2 from the atmosphere can be used to offset dispersed sources of CO2 emissions. In addition, does DAC have the potential to remove previous CO2 emissions from the atmosphere, if society does? Overshoot the allowable level of CO2 in the atmosphere. Existing technologies for DAC are primarily focused on heat- and pressure-based separations using adsorbents or solvents.
[0006]? EDCS uses a flux of electrochemically generated hydroxide anions to separate CO2 from a gas mixture. CO2 reacts with strong bases such as hydroxide anions to form carbonate and bicarbonate anions
Figure 2023525988000002
 ? In EDCS, hydroxide anions are produced at the cathode and react with COs from the mixed gas stream. The resulting carbonate and bicarbonate anions are electrochemically driven to the anode and hydroxide consumption lowers the pH. Lowering the pH shifts the equilibrium of Eqs. 1 and 2 in favor of gaseous CO2, allowing CO2 to be concentrated to a much higher partial pressure than the mixed gas stream from which it was removed.
[0007]? In principle, any pair of electrochemical reactions that produce and consume hydroxide anions can be used for the cathode and anode of EDCS? A previous example of EDCS is the reaction of hydrogen, oxygen, and water, namely the oxygen reduction reaction (TORR) or hydrogen evolution reaction for the cathode and the oxygen evolution reaction (OER) or hydrogen oxidation reaction (HOR) for the anode. (HER). Rigon, W, A. et al (2017). Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage; 14(2), p, 020701; Rand on, J, & kith Chin, J, R, J. electro chem. Soc 157, B 1149 (2010); Pennline, H, W et al Fuel 89, 1307-1314 (2010); Winnick, J? Chem Eng. Prog. 86, 41-45 (1990); Winnick, J.; electro chem. Sci Eng. 1, 205-248 (1990); Li, K & Li, N, Sep, Sci Technol. 28, 1085-1090 (1993). For DAC applications, the four reactions of hydrogen, oxygen, and wafer are insufficient for several reasons. Tor is a convenient cathodic reaction, given oxygen in air, but does the overkinetic potential required to drive Thor significantly increase energy expenditure? HER involves the production of hydrogen product at the cathode that would normally be lost to the air stream, which represents a significant waste of energy. As an anodic reaction, HOR requires an energy-intensive and expensive supply of hydrogen for the value of CO2 captured? Finally, the anodic reaction, OER, requires a large overkinetic potential, resulting in CO being produced as a mixture with oxygen coexists, then requiring additional downstream separation.
[0008]? Accordingly, a need exists for more efficient and cost-effective apparatus and methods for removing carbon dioxide from air.

[0009]？本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)に関する。EDCSは、細胞を含む。セルは、アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、電荷蓄積化合物およびアニオン交換ポリマーを含む2つの電極を含む？陰イオン交換ポリマーを含む膜と、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるように適合されたチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、アノードとなる電極と接触する開口を画定するチャネルと、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネルと、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネルと、を含む？と、二酸化炭素の流出のために適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルとを含む。セルは、運転において、カソードとなる電極で生成された水酸化物が膜内に輸送され、二酸化炭素含有ガスが膜に接触し、二酸化炭素が水酸化物イオンと反応して、重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩および炭酸イオンを形成するように適合されている？膜を介して陽極となる電極に炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを輸送し、陽極として作用する電極で炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを反応させて二酸化炭素と水を形成し、二酸化炭素を陽極となる電極の二酸化炭素の流出に適した流路を介してEDCSから放出する
[0010]？本開示の別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)に関する。EDCSは、細胞を含む。セルは、アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、2つの電極は、任意選択的に部分的に酸化された状態で水酸化ニッケルを含む、2つの電極と、アニオン交換ポリマーとを含む？水酸化ニッケルは、カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、アノードとして作用するときに水酸化物を消費する反応が可能であり、2つの電極に隣接し、2つの電極を分離する膜であって、アニオン交換体形成体を含む膜と、二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入に適合し、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を含む？と、二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入に適合し、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルとを含む。セルは、カソードとなる電極に水酸化物が生成され、二酸化炭素含有ガスがカソードとなる電極に接触し、二酸化炭素が水酸化物イオンと反応して重炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを形成するように適合されている？膜を介して重炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンがアノードとなる電極に輸送され、炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンがアノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素と水を形成する
[0011]？EDCSは、電極に電流を供給するための電源をさらに備えることができ、電源は、電流の流れの方向を交互に反転させるように適合され、それによって、各電極が、アノードおよびカソードとして順に作用することを可能にする？あるいは、EDCSは、電極に電流を供給するための電源と、電源および電極に結合された電気スイッチとをさらに備え、電気スイッチは、電流の流れの方向を交互に反転させるように適合されており、それによって、各電極がアノードおよびカソードとして順に作用することを可能にする
[0012]？EDCSは、各電極に隣接する集電体をさらに備えることができる
[0013]？電荷蓄積化合物は、金属水酸化物、オキシ水酸化金属、金属酸化物、または水素吸蔵合金を含むことができる。例えば、電荷蓄積化合物は、ニッケル水酸化物、二酸化マンガン、部分充電状態の水酸化ニッケル、又はランタンニッケル水素化物を含むことができる。好ましくは、電荷蓄積性化合物は、水酸化ニッケルまたは水酸化ニッケルを部分的に帯電させた状態で含む
[0014]？EDCSは、2つの電極の各々の端部に沿って集電体に延在する2つの電極のそれぞれと膜との間にアイオノマー層をさらに含み、アイオノマー層は、アノードとなる電極内のアノードとなる電極から放出される二酸化炭素と、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネルとを封止するように適合される
[0015]？アイオノマー層は、アニオン交換ポリマーを含むことができる
[0016]？2つの電極のアニオン交換ポリマー、膜のアニオン交換ポリマーおよび/またはアイオノマー層のアニオン交換膜は、独立して、第4級アンモニウムまたはイミダゾリウム基と、エーテル基を有さないポリマー骨格とを含むことができる
[0017]？2つの電極の陰イオン交換ポリマー、膜の陰イオン交換ポリマーおよび/またはアイオノマー層の陰イオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキルSamriniurn-官能化ポリ(アリールアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)を含むことができる？置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能基化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(エチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)？アルキルアンモニウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせである
[0018]？2つの電極のアニオン交換ポリマー、膜のアニオン交換ポリマー、および/またはアイオノマー層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)を含むことができる
[0019]？アイオノマー層のアニオン交換ポリマーは、ポリジアリルジメチルアンモニウムを含むことができる
[0020]？膜は、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを含むことができる
[0021]？膜は、膜を通る二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を含むことができる
[0022]？セルは、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のために、電極内で生成された二酸化炭素をEDCSからチャネルを通して放出するように構成された逆止弁をさらに備えることができる。2つのこのような逆止弁は、EDCSの循環動作中に2つの電極のいずれかがアノードとなるため、EDCS内にあり得る
[0023]？EDCSは、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるために、チャネルを通して二酸化炭素含有ガスを送風するためのファンをさらに備えることができる
[0024]？二酸化炭素含有ガスは、空気を含むことができる
[0025]？EDCSは、直列に電気的に接続された1つ以上の追加のセルからなるスタックと、アノードとなる電極の各々から二酸化炭素を流出させるように適合されたマニホールドとをさらに備えることができる
[0026]？アイオノマー層は、二酸化炭素の流出のために2つの電極およびチャネルのそれぞれを取り囲むことができる
[0027]？集電カートは、2つの集電板の代わりに各セル間に双極板を備え、スタックの各端部に集電板を備える
[0028]？双極板は、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成することができる。二酸化炭素の流出のためのチャネルは、双極板および電極に対して垂直であり得る
[0020]？本開示の他の態様は、上記のように金属空気電池とEDCSとを備える電池システムであって、二酸化炭素含有ガスは空気であり、EDCSに空気を供給して二酸化炭素の濃度を低下させた後、二酸化炭素の濃度が低減された空気を金属空気電池のカソード入口に向ける
[0030]？本開示のさらに別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法に関する。この方法
？前記EDCSに前記二酸化炭素含有ガスを供給し、前記EDCSに電流を流すことを特徴とする
[0031]？電流は、2つの電極の一方がアノードとなり、2つの電極の他方がカソードとなる第1相と、2つの電極の一方がカソードとなり、他方がアノードとなるように電流が駆動される第2相とでEDCSを介して駆動することができる
[0032]？EDCSの電圧は、アノード中の水酸化ニッケルのほとんど又は全てをオキシ水酸化ニッケルに変換し、カソード中のオキシ水酸化ニッケルのほとんど又は全てを、セル又はセルの極性が反転する前に水酸化ニッケルに変換するのに十分な時間継続するように、一定の電流で監視することができる。例えば、EDCSの電圧が細胞当たり約0。5-約1。0Vの範囲にあるとき、細胞または細胞の極性を反転させることができる
[0033]？方法は、2つの電極のためのオキシ水酸化ニッケルとオキシ水酸化ニッケルとの比を監視することをさらに含み、2つの電極を組み合わせた場合、100は充電(SOC)の細胞平均状態を示し、比が0。5未満に設定された所望の閾値に達したとき、または細胞平均SOCが50%未満の所望の閾値に到達したときに介入をトリガすることをさらに含むことができる
[0034]？この方法は、第1の相および第2の相のそれぞれを通過した総電荷を監視し、第1の相および第2の相のうちの1つを通過した総電荷が公称電極容量の所定の割合を下回るときに介入をトリガすることをさらに含むことができる
[0035]？介入は、より高い電圧閾値に達するまで、動作の位相を延長することを含むことができる。例えば、より高い電圧閾値は、セル当たり約1。0-約2。0Vの範囲であり得る
[0036]？介入は、所定の量の電荷が通過するまで、動作の位相を延長することを含むことができる。例えば、所定量の電荷は、公称電極容量の約80%-約120%の範囲とすることができる
[0037]？介入は、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素または空気を供給することを含むことができる
[0038]？介入は、水素発生反応を促進するためにEDCSに電流を印加することを含むことができる
[0039]？他の目的および特徴は、部分的に明らかであり、以下で指摘される部分である [0009]? The present disclosure relates to an electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) for separating carbon dioxide from carbon dioxide containing gases. EDCS contains cells. The cell comprises two electrodes that can act as anodes or cathodes, comprising a charge storage compound and an anion exchange polymer? a membrane comprising an anion exchange polymer, channels adapted to allow a carbon dioxide-containing gas to flow into the membrane, channels adapted to the outflow of carbon dioxide and defining openings in contact with an electrode serving as an anode; a channel adapted to allow a carbon dioxide-containing gas to flow therein; and a channel adapted to allow a carbon dioxide-containing gas to flow within the membrane. and a channel adapted for the outflow of carbon dioxide and defining an opening in contact with the cathode electrode. During operation of the cell, the hydroxide produced at the cathode electrode is transported into the membrane, the carbon dioxide-containing gas contacts the membrane, and the carbon dioxide reacts with the hydroxide ions to form bicarbonate ions, adapted to form carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions? Carbonate ions, carbonate ions, hydrogen carbonates, and carbonate ions are transported through the membrane to the anode electrode. form water and release carbon dioxide from the EDCS through channels suitable for the outflow of carbon dioxide from the anodic electrode
[0010]? Another aspect of the present disclosure relates to an electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) for separating carbon dioxide from carbon dioxide containing gases. EDCS contains cells. The cell has two electrodes that can act as an anode or a cathode, the two electrodes comprising nickel hydroxide, optionally in a partially oxidized state, and an anion exchange polymer. and including? Nickel hydroxide is capable of reactions that form hydroxide when acting as a cathode and consume hydroxide when acting as an anode, and is adjacent to the two electrodes and a membrane separating the two electrodes. comprising a membrane comprising anion exchanger formers and channels adapted for outflow of carbon dioxide or inflow of carbon dioxide-containing gas and defining openings in contact with an electrode serving as an anode? and a channel adapted for the outflow of carbon dioxide or the inflow of a carbon dioxide-containing gas and defining an opening in contact with the electrode serving as the cathode. In the cell, a hydroxide is generated on the cathode electrode, a carbon dioxide-containing gas contacts the cathode electrode, and the carbon dioxide reacts with the hydroxide ion to produce bicarbonate ion, carbonate ion, hydrogen carbonate, adapted to form carbonate ions? Bicarbonate ions, carbonate ions, hydrogen carbonates, and carbonate ions are transported through the membrane to the anode electrode, and the hydrogen carbonate ions, carbonate ions, hydrogen carbonate, and carbonate ions react at the electrode acting as the anode to produce dioxide form carbon and water
[0011]? The EDCS may further comprise a power supply for supplying current to the electrodes, the power supply being adapted to alternately reverse the direction of current flow so that each electrode in turn acts as an anode and a cathode. allow you to Alternatively, the EDCS further comprises a power source for supplying current to the electrodes and an electrical switch coupled to the power source and the electrodes, the electrical switch adapted to alternately reverse the direction of current flow. , thereby allowing each electrode to act in turn as an anode and a cathode
[0012]? The EDCS can further comprise a current collector adjacent each electrode
[0013]? Charge storage compounds can include metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxides, or hydrogen storage alloys. For example, the charge storage compound can include nickel hydroxide, manganese dioxide, partially charged nickel hydroxide, or lanthanum nickel hydride. Preferably, the charge storage compound comprises nickel hydroxide or nickel hydroxide in a partially charged state.
[0014]? The EDCS further includes an ionomer layer between each of the two electrodes and the membrane extending along the edge of each of the two electrodes to the current collector, the ionomer layer being the anode and the anode within the electrode. adapted to seal the carbon dioxide released from the electrode serving as the anode and the channel for the outflow of carbon dioxide from the electrode serving as the anode
[0015]? The ionomer layer can contain an anion exchange polymer
[0016]? The anion-exchange polymer of the two electrodes, the anion-exchange polymer of the membrane and/or the anion-exchange membrane of the ionomer layer independently contain quaternary ammonium or imidazolium groups and a polymer backbone without ether groups. can
[0017]? The anion-exchange polymer of the two electrodes, the anion-exchange polymer of the membrane and/or the anion-exchange membrane of the ionomer layer are independently poly(arylpiperidinium), alkyl Samriniurn-functionalized poly(arylalkylene), Substituted imidazolium-functionalized poly(arylalkylene), alkylammonium-functionalized poly(styrene), substituted imidazolium-functionalized poly(styrene), alkylammonium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene)? Substituted imidazolium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), Alkynylammonium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), Substituted imidazolium-functionalized poly(styrene-block-ethylene- co-butadiene-block-styrene), alkynylammonium-functionalized poly(ethylene), substituted imidazolium-functionalized poly(ethylene), alkynylammonium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), substituted imidazolium-functionalized poly(tetrafluoroethylene) ? alkylammonium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), substituted imidazolium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), polyethylenimine, poly(diallylammonium), polydiallyldimethylammonium, or combinations thereof be
[0018]? The anion exchange polymer of the two electrodes, the anion exchange polymer of the membrane, and/or the anion exchange membrane of the ionomer layer can independently comprise poly(arylpiperidinium).
[0019]? The anion exchange polymer of the ionomer layer can include polydiallyldimethylammonium
[0020]? The membrane can include multiple channels for the flow of carbon dioxide-containing gas into the membrane.
[0021]? The membrane can contain void volume for diffusion of carbon dioxide-containing gas through the membrane.
[0022]? The cell can further comprise a check valve configured to release carbon dioxide produced within the electrode from the EDCS through the channel for outflow of carbon dioxide from the electrode serving as the anode. Two such check valves can be in the EDCS because either of the two electrodes becomes the anode during the cycling operation of the EDCS.
[0023]? The EDCS can further comprise a fan for blowing the carbon dioxide containing gas through the channel to force the carbon dioxide containing gas into the membrane.
[0024]? Carbon dioxide-containing gas can include air
[0025]? The EDCS can further comprise a stack of one or more additional cells electrically connected in series and a manifold adapted to bleed carbon dioxide from each of the anodic electrodes.
[0026]? An ionomer layer can surround each of the two electrodes and channels for carbon dioxide efflux
[0027]? The current collector cart has a bipolar plate between each cell instead of two current collectors and a current collector at each end of the stack
[0028]? A bipolar plate can be configured to provide a channel for the outflow of carbon dioxide. Channels for carbon dioxide outflow can be perpendicular to the bipolar plates and electrodes
[0020]? Another aspect of the present disclosure is a battery system comprising a metal-air battery and an EDCS as described above, wherein the carbon dioxide-containing gas is air, and air is supplied to the EDCS to reduce the concentration of carbon dioxide. Afterwards, the carbon dioxide-depleted air is directed to the cathode inlet of the metal-air battery.
[0030]? Yet another aspect of the disclosure relates to a method of separating carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas. this way? characterized by supplying the carbon dioxide-containing gas to the EDCS and passing an electric current through the EDCS
[0031]? The current is driven in a first phase, where one of the two electrodes is the anode and the other of the two electrodes is the cathode, and in a second phase, where the current is driven so that one of the two electrodes is the cathode and the other is the anode. and can be driven through EDCS with
[0032]? The voltage of the EDCS converts most or all of the nickel hydroxide in the anode to nickel oxyhydroxide and converts most or all of the nickel oxyhydroxide in the cathode to nickel hydroxide before the cell or cell polarity is reversed. A constant current can be monitored to ensure that it lasts long enough to convert to . For example, when the voltage of the EDCS is in the range of about 0.5 to about 1.0 V per cell, the polarity of the cell or cells can be reversed.
[0033]? The method further includes monitoring the ratio of nickel oxyhydroxide to nickel oxyhydroxide for the two electrodes, wherein 100 indicates a cell average state of charge (SOC) when the two electrodes are combined; It can further comprise triggering intervention when the ratio reaches a desired threshold set below 0.5 or when the cell mean SOC reaches a desired threshold of below 50%.
[0034]? The method monitors the total charge passed through each of the first and second phases and determines that the total charge passed through one of the first and second phases is a predetermined amount of nominal electrode capacitance. can further include triggering an intervention when the percentage falls below
[0035]? Intervention can include prolonging phases of operation until a higher voltage threshold is reached. For example, the higher voltage threshold can range from about 1.0 to about 2.0 V per cell.
[0036]? Intervention can include extending the phase of operation until a predetermined amount of charge has passed. For example, the predetermined amount of charge can range from about 80% to about 120% of the nominal electrode capacity.
[0037]? Intervention can include supplying oxygen or air to the cathode to promote the oxygen reduction reaction
[0038]? Intervention can include applying a current to the EDCS to promote the hydrogen evolution reaction
[0039]? Other objects and features are partly obvious and partly pointed out below

[0052]？対応する参照文字は、図面を通して対応する部分を示す
？図1は、化学反応および主要種を含む、1相の運転におけるEDCSの概略図である ？図3に示す線に沿って取ったEDCSセルの正面断面図である ？図2に示す線に沿って取ったEDCSセルの上面断面図である ？図4は、電極の各々と、2つの電極のそれぞれの端部に沿って集電体に沿って延在する膜との間にアイオノマー層を含むEDCSセルの上面断面図である ？図6に示されるようなラインに沿って取られたEDCS反復ユニットの上部断面図である ？図5に示す線に沿ったEDCS繰り返しユニットの正面断面図である ？EDCSスタックの正面断面図である ？EDCSスタックの上面断面図である ？図9は、実施例1で報告された時間の関数として、輸送されたCO2分子当たりの電子の計算された比、算出されたCO2輸送速度、セル電流、セル電圧、アノード出口CO2濃度、およびカソード出口CO2濃度のプロットである ？実施例1の実験から算出し、各セル電圧保持工程で平均化した平均CO2フラックスを示す棒グラフである ？実施例1の実験の各セル電圧工程における電気化学セルの平均エネルギー消費量を示す図である ？図12は、動作の両相において、二酸化炭素含有ガスがカソードに向かうEDCSの概略図を示す [0052]? Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the drawings
? Figure 1 is a schematic of an EDCS in one-phase operation, including chemical reactions and key species ? Figure 4 is a front cross-sectional view of the EDCS cell taken along the line shown in Figure 3; ? Figure 3 is a top cross-sectional view of an EDCS cell taken along the line shown in Figure 2; ? FIG. 4 is a top cross-sectional view of an EDCS cell that includes an ionomer layer between each of the electrodes and a membrane that extends along the current collector along each edge of the two electrodes. ? Figure 7 is a top cross-sectional view of an EDCS repeat unit taken along the line as shown in Figure 6; ? Figure 6 is a front cross-sectional view of the EDCS repeat unit along the line shown in Figure 5; ? FIG. 2 is a front cross-sectional view of an EDCS stack; ? FIG. 2 is a top cross-sectional view of an EDCS stack; ? Figure 9 shows the calculated ratio of electrons per CO2 molecule transported, calculated CO2 transport rate, cell current, cell voltage, anode exit CO2 concentration, and cathode CO2 concentration as a function of time as reported in Example 1. is a plot of outlet CO2 concentration ? 4 is a bar graph showing the average CO2 flux calculated from the experiment of Example 1 and averaged in each cell voltage holding step. ? FIG. 2 shows the average energy consumption of the electrochemical cell at each cell voltage step in the experiment of Example 1; ? Figure 12 shows a schematic of an EDCS with carbon dioxide-containing gas directed towards the cathode in both phases of operation.

[0053]？本開示は、電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)、および利用または隔離のために空気などの二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する際のそれらの使用に関する。EDCSは、大気からCO2を除去することができるため、炭素-ネガ技術である
[0054]？例えば、本開示は、セルまたはEDCSスタックを含む電気化学的に駆動されるCO2セパレータに関する。EDCSスタックは、直列に電気的に接続された1つ以上のセルを含む
[0055]？各セルは、第1の電極、膜、および第2の電極を含む。第1の電極及び第2の電極は、水酸化ニッケル、アニオン交換ポリマー、及び必要に応じてニッケルフォームガス拡散層を含む。第1の電極および第2の電極は、それぞれアノードおよびカソード反応が可能であり、電流の流れの方向に応じて、一方の電極がセルのアノードとなり、他方の電極がセルのカソードとなる
[0056]？アノードには、水酸化ニッケル(Ni (OH)2がオキシ水酸化ニッケル(NiO (OH))に酸化され、プロセス中の水酸化アニオン(OH-)が消費される

Figure 2023525988000003
？カソード反応は、式3の逆である
Figure 2023525988000004
 [0057]？カソードで生成された水酸化物アニオンは、アニオン交換ポリマーを含むアイオノマー層によって膜中に輸送される。膜は、アニオン交換ポリマーおよび統合された二酸化炭素含有ガス流路を含む。膜内では、空気からの二酸化炭素が水酸化物アニオンと反応し、式1及び式2に従って重炭酸塩及び炭酸アニオンが生成される
[0058]？重炭酸塩、炭酸塩、及び任意の残留水酸化物アニオンは、膜からアノードに輸送される。アノードでは、式3を介した水酸化物の消費により、pHが低下し、炭酸水素塩及び炭酸塩は、式1及び式2の逆に応じて分解し、二酸化炭素及び水酸化物アニオンを放出し、純粋な二酸化炭素は、アノードから回収される[0059]？セルは、第1の電極と流体連通する第1の二酸化炭素流路と、第2の電極と流体連通する第2の二酸化炭素流路とをさらに備える。第1の二酸化炭素流路は、電流の流れ方向に応じて、第1の電極を陽極としたときに二酸化炭素を回収し、第2の二酸化炭素流路は、第2の電極を陽極として二酸化炭素を回収する
[0060]？スタックは、各セルの第1の二酸化炭素流路と流体連通する第1のマニホールドと、各セルの第2の二酸化炭素流路と流体連通する第2のマニホールドとをさらに備える
[0061]？EDCSは、第1のマニホールドに接続された逆止弁と、第2のマニホールドに接続された逆止弁とをさらに備える。製品二酸化炭素は、逆止弁を通してEDCSから回収され、逆止弁は、電極がカソードとして機能するときに、マニホールド、流路、および電極への二酸化炭素の逆流を防止するように配向される
[0062]？さらに、本開示は、本明細書に記載のEDCSの膜の二酸化炭素含有ガス流路に二酸化炭素含有ガスを供給し、EDCSを介して環状に電流を駆動することを含む、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法に関する？電流の周期的な供給は、第1の電極がアノードとなり、第2の電極がカソードとなるように電流が駆動される第1の相と、第1の電極がカソードとなり、第2の電極がアノードとなるように電流が駆動される第2の相とを含む？各相は、アノード中の水酸化ニッケルのほとんど又は全てをオキシ水酸化ニッケルに変換し、カソード中のオキシ水酸化ニッケルのほとんど又は全てをニッケル水酸化物に変換するのに十分な時間継続される
[0063]？電極の完全な変換が行われたときに、EDCS電圧が監視される。定電流で電圧が所定の閾値を超えると、セルの極性が反転する。電圧閾値は、細胞当たり0。5-1。0Vの範囲であってもよい
[0064]？電極の電池平均状態(SOC)は、オキシ水酸化ニッケルに対する完全な転化が示されるように、結合された電極中のオキシ水酸化ニッケルとオキシ水酸化ニッケルとの比として定義される
100？SOC%であり、水酸化ニッケルへの完全な転化率は0%SOCを表し、通常運転時には、第1および第2の電極の平均SOCは約50%となり、平均SOCが50%から大きく発散すると、電極のサイクルの程度が制限される。例えば、平均SOCが30%である場合、各電極は、0-60%のSOCからのサイクルのみ可能であり、酸素発生反応(OER)のような副反応は、細胞の平均SOCを徐々に減少させることができる
[0065]？細胞平均SOCが実質的に50%未満に低下した場合、デバイスの寿命を延ばすために、細胞の平均SOCを高めるために追加の介入を適用することができる。1つの介入は、カソードが0%付近に到達し、カソード電位が正常範囲より低下した後であっても、セルを通して電流を駆動し続けることである？十分に低いカソード電位では、2つのカソード側反応のうちの一方が、電流が流れ続けることを可能にするために、酸素還元反応、または水素発生反応を可能にするために起こることができる
[0066]？加えて、本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、各相中を通過する全電荷を追跡することによってセルの平均SOCを監視し、電荷が公称電極容量の所定の割合を下回ったときに介入がトリガされる方法を対象とする。介入は、より高い電圧閾値に達するまで、現在の動作の位相を延長することを含むことができる？高電圧閾値は、セル当たり1。0-2。0Vの範囲であってもよい。あるいは、介入は、所定の量の電荷が通過するまで、現在の動作の位相を延長することを含むことができる。所定の電荷は、公称電極容量の80%-120%の範囲であってもよい。介入は、酸素還元反応を促進するために、EDCSのカソードに酸素または空気を供給することをさらに含むことができる
？しかしながら、酸素の供給は必須ではなく、代わりに水素発生反応によって電流を流すことができる
[0067]？EDCSの概略は、図1に示されており、一方の電極はカソードとして標識され、他方の電極はアノードとして標識される。電流は、電源からセルに供給される。水酸化ニッケルのような電荷蓄積性化合物の還元によって、水酸化物アニオンがカソードにおいて電気化学的に生成され、膜中に輸送される？膜において、水酸化物は、膜流路に供給されるガス(好ましくは空気)を含む二酸化炭素から二酸化炭素と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩は、アノードに輸送される。アノードでは、水酸化ニッケルの酸化は水酸化物を消費し、pHの低下及び炭酸塩及び重炭酸塩の分解を引き起こし、二酸化炭素を放出する。二酸化炭素生成ガスは、アノードから流出する？サイクルの第1および第2の相の間、アノードおよびカソードとなる電極は交互になる。しかしながら、図1に示されるようなセルのメカニズムは、ラベルアノードおよびカソードを使用して、両方の相に適用される
[0068]？EDGSセルの正面断面図が図2に示されており、セルは、第1の電極20と、メンブレン3と、第2の電極30とを備え、セルは、各電極に隣接する集電板10をさらに備えることができる。膜は、二酸化炭素含有ガスが膜を通過することを可能にするアニオン交換ポリマーおよび二酸化炭素含有ガス流路4を含む？任意選択で、膜は、二酸化炭素含有ガス流路4に加えて細孔容積を含むように多孔性であり得、二酸化炭素が膜のバルクをより迅速に拡散することを可能にする。電源51は、集電板に電流を供給する
[0069]？EDCSセルの頂部断面図が図3に示されており、セルは、第1の電極20と流体連通する第1の二酸化炭素回収チャネル21と、第2の電極30と流体連通する第2の二酸化炭素回収チャネル31とを備え、これらの収集チャネル21、31は、アノードとなる電極から二酸化炭素を流出させるためのものである
[0070]？EDGSセルの好ましい実施形態の頂部断面図が図4に示されており、セルは任意選択的に、電極と膜との間に挿入されたアイオノマー層11を含む。アイオノマーiayersは、任意選択で、電極、二酸化炭素回収チャネル、および集電板を包囲して、気密性のある海を提供することができる!電極の周囲には、電極が配置されている。アイオノマー層は、アニオン交換ポリマーを含む
[0071]？膜が多孔質である場合、アイオノマー層の代わりに、アノードからの二酸化炭素の漏出を防止することができる緻密なアニオン交換ポリマーの層を用いることができる
[0072]？図5には、繰り返し単位の頂部断面模式が示されており、EDCSは、1つ以上の反復ユニット1のスタックを備えているが、各ユニット1は、バイポーラ電極アセンブリ2と、膜3とを備えているが、EDCSは、上述のように1つ以上のセルを備えているが、個々のセルではなく、繰り返しユニット1からスタックを製造するのに便利であり得る
[0073]？双極型電極アセンブリ2は、1つのセルの第2の電極20および第2の二酸化炭素回収チャネル21と、隣接するセルの第1の電極30および第1の二酸化炭素回収チャネル31とを備える。隣接する2つの集電体は、単一のバイポーラプレート10に置き換えられ、任意選択で、バイポーラ電極アセンブリは、電極、双極板、および二酸化炭素流路の外部を包囲するアイオノマー層11をさらに含むことができる
[0074]？第1および第2の電極20、30は、ガス輸送を可能にするのに十分な多孔度を有する水酸化ニッケル電極触媒およびアニオン交換ポリマーを含むことができる
[0075]？第1および第2の電極20、30は、グラファイト、カーボンブラック、または金属ニッケルなどの導電性添加剤をさらに含むことができる
[0076]？第1及び第2の二酸化炭素流路21、31は、プレートを転動させて、第1及び第2の電極20及び30との流体連通を可能にする間隙22、32を有する流路を形成することによって、双極板10から形成することができる
[0077]？随意に、バイポーラ電極2は、第1の電極20、第1の二酸化炭素回収チャネル21、第2の電極30、および第2の二酸化炭素回収チャネル31と接触するイオノマー外囲器11をさらに含み、イオノマー外囲器11は、第1の電極20および第2の電極30を周囲環境から隔離するための気密シールを提供する
[0078]？バイポーラ電極2の正面断面図が図6に示されており、バイポーラ電極2は、第2の電極30の端部を封止するガスケット33と、第1の電極20の端部を封止するガスケット23とを備え、必要に応じて、イオノマー外囲器11は、双極板10に接触することができ、第1および第2の電極20、30の未封止端26、36は、それぞれ、第1および第2の二酸化炭素流路21、31(図5)と流体連通している
[0079]？平面モジュールは、平面セルのスタックを含み、マニホールドは、活性領域の外側の境界領域に組み込まれ、ガスを各セルセルに分配するために、流路を組み込む双極板によって分離されてもよく、またはセルは、流路を提供するために使用される導電性メッシュ供給スペーサを有する平面双極板によって分離されてもよい。前者は、図7に示すように、導電性双極板によって電気的に直列に接続されている？平面構成が示されているが、EDCSは、当技術分野で知られているようなスパイラルスタックのような他の構成で作製することができる
[0080]？直列に電気的に接続された複数の反復ユニット1を含むスタック40の正面断面図が図7に示されており、スタック40は、スタック40内に流体連通を提供するための第1のマニホールド24および第2のマニホールド34を含み、または、第1および第2のマニホールド24、34の両方は、バイポーラ電極2の頂部または底部に位置することができる？随意に、追加のマニホールドを追加して、各二酸化炭素流路の入口および出口マニホールドの両方を作成することができる。各ユニット1の第1の二酸化炭素流路21は、第1のマニホールド24と流体連通しており、各ユニット1の第2の二酸化炭素流路31は、第2のマニホールド34と連通している
[0081]？図8では、スタック40の頂部断面図が、縦向き(紙面に垂直)の第1および第2の二酸化炭素流路21、31と、水平配向(紙面に平行)の二酸化炭素含有ガス流路4(図示せず)とで示されている。この配向は図示されているが、デバイスは、任意の配向で使用するか、または任意の向きで使用することができる
[0082]？スタック40の各バイポーラ電極2は、第2の電極30の端部と、第1のマニホールド24との流体連通を防止するための第2の二酸化炭素流路31(図示せず)と、第1の電極20の端部および第1の二酸化炭素流路21(図示せず)を封止して第2のマニホールド34との流体連通を防止するガスケット23とを封止するガスケット33を含む
[0083]？積層体40において、繰り返し単位1は、1つのバイポーラ電極2と1つの膜3とを備えているが、繰り返し単位の境界は、単セルの境界と一致していない。単セルは、1つの繰り返し単位1の第2の電極30および膜3と、次の隣接する繰り返し単位1の第1の電極20とを含む
[0084]？図7に示すスタックの右端には、最終的なセルを完成させるために、端部電極43が集電体46に隣接して含まれている。スタック40のSett端における第1の繰り返し単位1のバイポーラ電極2は、端部電極41とみなすこともできるが、端部電極41、43は、バイポーラ電極2と同一または類似の構成とすることができ、この場合、余分な電極および余分な二酸化炭素流路が存在するが、スタックの動作には使用されない
40.
[0085]？あるいは、端部電極41、43は、単一の電極、双極板、および単一の二酸化炭素流路のみで構成されてもよく、端部電極41、43の双極板10と集電体45、46との間に転移スペーサ42、44を含む
[0086]？端部電極41、43は、スタックへの外部電気接続部が形成された集電体45、46に電気的に接続されている
[0087]？第1および第2のマニホールド24、34は、スタック40への二酸化炭素の逆流を防止するための逆止弁25、35を有する出口を有し、運転中、カソードとしての電極は、電極、二酸化炭素流路、およびマニホールドの細孔容積内の任意の利用可能な二酸化炭素を消費するが、この二酸化炭素の量は制限される。逆止弁は、追加の二酸化炭素の流入を防止し、二酸化炭素が速やかに消費される？逆止弁はまた、セル又はスタックのカソード側への空気流入、セル又はスタックのカソード側からの空気流出(CO2が除去された)及びセル又はスタックのアノード側からの二酸化炭素流出を制御する
[0088]？EDCSは、流路4を通る二酸化炭素含有ガスの循環を改善し、存在する場合、カソード空隙容積を通って、二酸化炭素含有ガスの循環を改善するためのファン50をさらに備えることができる
[0089]？あるいは、膜は、流路を備えておらず、電極流路は、二酸化炭素含有ガスおよび二酸化炭素生成ガスの両方の流れに適合されている。二酸化炭素含有ガスは、図12に示すように、カソードとなる電極に向けられており、図12に示すように、アノードとなる電極から二酸化炭素生成ガスが回収される。水酸化物及び二酸化炭素の反応は、膜内ではなく、カソード内で行われる
[0090]？EDCSは、電極の外側にガス拡散層を含むことができる。ガス拡散層は、カーボンペーパーのような当技術分野で知られている任意の適切な材料を含むことができる。例えば、ガス拡散層は、5%及び10%のウェットプルーフ、及び/又は、Sigracet 29BCを有する東レ紙060を含むことができる
[0091]？2つの電極、膜またはアイオノマー層で使用されるアニオン交換ポリマーは、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-co-ジビニルベンゼン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)を含むことができる？アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エビレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(エチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキルアンモニウム-官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(エチレン-co-テトラフルオロエチルエン)？置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-co-テトラフィロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせである。ポリ(アリールピペリジニウム)またはポリジアリルジメチルアンモニウムが好ましい
[0092]？2つの電極におけるアニオン交換ポリマーは、同一であることが好ましい
[0093]？アイオノマーは、水酸化物伝導性ネットワークを提供する。すべての実験使用PAP膜およびイオノマー。PAP膜およびイオノマーは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第10、290890号、米国特許出願シリアルNo、16/651、622、およびポット公報WO 2019/068051に記載されている。好ましいアイオノマーはPAP-TP-85である
[0094]？膜中のアニオン交換ポリマーは、アイオノマー層中の電極またはアニオン交換ポリマー中のアニオン交換ポリマーとは異なることができる。これらの成分中の陰イオン交換ポリマーは、同一であってもよく、一部が同一であってもよく、全て異なっていてもよい
[0095]？EDCSの電池電極反応は、周期的な動作を必要とし、電流は周期的に反転し、電極はカソードであり、水酸化物を生成し、電極はアノードであり、二酸化炭素を濃縮する
[0096]？EDCSには、電源によって電流が供給される。電源は、その出力電流を直接反転させることができ、またはデュアルポールデュアルスロースイッチ/リレーを使用して、EDCSの端子と電源の端子との間の接続を逆にすることができる
[0097]？典型的な双極板は、ステンレス鋼の薄いシートである。一方の側はアノードに電気的に接続され、他方の側は隣接するセルのカソードに電気的に接続される
[0098]？電極は、当該技術分野で公知の方法によって調製することができる。電極は、本明細書に記載される電荷蓄積化合物と、次いで、セルの隣接する成分に噴霧または鋳造されるアニオン交換ポリマーとを含むインクから調製することができる。あるいは、電荷蓄積化合物を基板上に電気的に付着させ、次いでアニオン交換ポリマーでコーティングすることができる？例えば、Ni (OH)2電極は、3電極セルを使用して塩化ニッケル(NiCl 2)溶液から基板上に電着し、続いて水酸化カリウム溶液中で前サイクリングしてNiO (OH)を生成することによって調製することができる。次いで、NiO (OH)/Ni (OH)2電極を、溶液からアニオン交換ポリマーで浸漬する
[0099]？EDCSセルまたはEDCSスタックは、当技術分野でよく知られている標準的な方法論を使用して構築することができる
[00100]？本明細書に記載されるようなEDCsは、従来のエネルギー源に対して最小限のエネルギーコスト及び長いサイクル寿命を有するCO2を効率的に除去するために、低コストの電気化学セルを提供する。得られたCO2は、化学合成に使用することができる。二酸化炭素ガスが除去された空気は、空気取入口を用いて金属空気電池または他の装置またはプロセスに供給することができる
[00101]？本明細書に記載のEDCSは、金属空気電池に供給される二酸化炭素含有ガスは、EDCSのカソードにおける水酸化物イオンとのCO2の反応によって達成される、約20ppm未満、18ppm、16ppm、15ppm、12ppm、10ppm、8ppm、6ppm、5ppm、4ppm、3ppm、または2ppmの二酸化炭素を含む
[00102]？発電プラントによって生成されるような煙道ガスが二酸化炭素含有ガスである場合、排ガスは、CO2の除去後に大気中に放出されてもよく、又は、それが放出される前に他の汚染物質を除去するためにさらに処理されてもよい
[00103]？EDCSは、炭素負の放出であり、化石燃料などの炭素放出技術の効果を相殺するために使用することができる直接空気捕捉技術、工業プロセスおよび陸上使用を目的とし、正味のゼロCO2排出を達成し、気候変動を最小限に抑えることができる
[00104]？EDCSは、液体または固体の取り扱いを伴わず、またはいくつかの炭素ネガティブ技術によって必要とされるような高温焼成を必要としない
[00105]？ここで開示される発明は、DACの適用によって示されているが、他の用途が可能である。これらの用途の例には、建物内又は建物内に流入する空気からCO2を除去すること、より高い再循環速度を可能にし、したがってHVACエネルギー消費を節約すること、CO2有人宇宙機を除去すること、及び周囲空気infoグリーンハウス又は他の構造からCO2をポンピングして、植物の成長を助けることが含まれる
？定義
[00106]？"双極板は、1つのセルのカソードと隣接セルのアノードとの間の電気的接続を提供し、
[00107]？"slpm"は、0℃、1気圧の標準条件で1L/分に相当するガス流量の単位である
[00108]？本発明を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変更が可能であることは明らかであろう [0053]? The present disclosure relates to electrochemically driven carbon dioxide separators (EDCS) and their use in separating carbon dioxide from carbon dioxide containing gases such as air for utilization or sequestration. EDCS is a carbon-negative technology because it can remove CO2 from the atmosphere
[0054]? For example, the present disclosure relates to electrochemically driven CO2 separators that include cells or EDCS stacks. An EDCS stack contains one or more cells electrically connected in series
[0055]? Each cell includes a first electrode, a membrane and a second electrode. The first and second electrodes comprise nickel hydroxide, an anion exchange polymer, and optionally a nickel foam gas diffusion layer. The first and second electrodes are capable of anodic and cathodic reactions, respectively, with one electrode serving as the cell's anode and the other serving as the cell's cathode, depending on the direction of current flow.
[0056]? At the anode, nickel hydroxide (Ni(OH)2 is oxidized to nickel oxyhydroxide (NiO(OH)), consuming the hydroxide anion (OH-) in the process
Figure 2023525988000003
 ? The cathodic reaction is the inverse of Equation 3
Figure 2023525988000004
 [0057]? Hydroxide anions generated at the cathode are transported into the membrane by an ionomer layer containing an anion exchange polymer. The membrane contains an anion exchange polymer and integrated carbon dioxide-containing gas channels. Within the membrane, carbon dioxide from the air reacts with hydroxide anions to produce bicarbonate and carbonate anions according to Eqs. 1 and 2.
[0058]? Bicarbonate, carbonate, and any residual hydroxide anions are transported from the membrane to the anode. At the anode, the consumption of hydroxide via Eq. and pure carbon dioxide is recovered from the anode [0059]? The cell further comprises a first carbon dioxide channel in fluid communication with the first electrode and a second carbon dioxide channel in fluid communication with the second electrode. The first carbon dioxide channel recovers carbon dioxide when the first electrode is used as the anode, and the second carbon dioxide channel recovers carbon dioxide when the second electrode is used as the anode, depending on the direction of current flow. capture carbon
[0060]? The stack further comprises a first manifold in fluid communication with the first carbon dioxide flow path of each cell and a second manifold in fluid communication with the second carbon dioxide flow path of each cell.
[0061]? The EDCS further comprises a check valve connected to the first manifold and a check valve connected to the second manifold. Product carbon dioxide is withdrawn from the EDCS through a check valve, which is oriented to prevent backflow of carbon dioxide to the manifold, flow path, and electrode when the electrode serves as the cathode.
[0062]? Further, the present disclosure provides a carbon dioxide-containing gas flow path from the carbon dioxide-containing gas, including supplying the carbon dioxide-containing gas to the carbon dioxide-containing gas flow path of the membrane of the EDCS described herein and driving an electrical current circularly through the EDCS. Regarding how to separate carbon dioxide? The cyclical supply of current consists of a first phase in which the current is driven such that the first electrode is the anode and the second electrode is the cathode, and the first electrode is the cathode and the second electrode is the cathode. including a second phase in which the current is driven to be the anode? Each phase is continued for a time sufficient to convert most or all of the nickel hydroxide in the anode to nickel oxyhydroxide and most or all of the nickel oxyhydroxide in the cathode to nickel hydroxide.
[0063]? The EDCS voltage is monitored when complete conversion of the electrodes has occurred. When the voltage exceeds a predetermined threshold at constant current, the polarity of the cell is reversed. Voltage threshold may range from 0.5-1.0 V per cell
[0064]? The cell average condition (SOC) of the electrode is defined as the ratio of nickel oxyhydroxide to nickel oxyhydroxide in the combined electrode such that complete conversion to nickel oxyhydroxide is shown.
100? is SOC%, complete conversion to nickel hydroxide represents 0% SOC, and under normal operation the average SOC for the first and second electrodes will be approximately 50%, with the average SOC diverging significantly from 50%. , the degree of electrode cycling is limited. For example, if the average SOC is 30%, each electrode can only cycle from 0-60% SOC, and side reactions such as the oxygen evolution reaction (OER) will gradually decrease the cell's average SOC. be able to
[0065]? If the average cell SOC drops substantially below 50%, additional interventions can be applied to increase the average cell SOC in order to extend the life of the device. One intervention is to continue driving current through the cell even after the cathode reaches near 0% and the cathode potential drops below the normal range? At a sufficiently low cathodic potential, one of two cathodic side reactions can occur to allow current to continue to flow, the oxygen reduction reaction, or the hydrogen evolution reaction.
[0066]? Additionally, the present disclosure provides a method for separating carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas in which the average SOC of a cell is monitored by tracking the total charge passing through each phase, the charge being equal to the nominal electrode capacity. is below a pre-determined percentage of . Intervention could involve extending the current phase of operation until a higher voltage threshold is reached? The high voltage threshold may range from 1.0-2.0V per cell. Alternatively, intervention may involve extending the current phase of operation until a predetermined amount of charge has passed. The predetermined charge may range from 80%-120% of the nominal electrode capacity. Intervention can further include supplying oxygen or air to the EDCS cathode to facilitate the oxygen reduction reaction? However, the supply of oxygen is not essential, and the hydrogen evolution reaction can instead drive the current.
[0067]? A schematic of the EDCS is shown in Figure 1, with one electrode labeled as the cathode and the other as the anode. Current is supplied to the cell from a power supply. Hydroxide anions are electrochemically generated at the cathode and transported into the membrane by reduction of charge storage compounds such as nickel hydroxide? In the membrane, hydroxide reacts with carbon dioxide from the carbon dioxide containing gas (preferably air) fed to the membrane channels. The resulting carbonates and bicarbonates are transported to the anode. At the anode, oxidation of nickel hydroxide consumes hydroxide, causing a pH drop and carbonate and bicarbonate decomposition, releasing carbon dioxide. Does the carbon dioxide forming gas exit the anode? During the first and second phases of the cycle, the electrodes being anode and cathode alternate. However, the cell mechanism as shown in Figure 1 applies to both phases, using labeled anodes and cathodes.
[0068]? A front cross-sectional view of an EDGS cell is shown in FIG. 2, the cell comprising a first electrode 20, a membrane 3 and a second electrode 30, the cell comprising a current collector plate 10 adjacent each electrode. can be further provided. The membrane comprises an anion exchange polymer and a carbon dioxide-containing gas channel 4 that allows carbon dioxide-containing gas to pass through the membrane. Optionally, the membrane can be porous to contain pore volume in addition to carbon dioxide-containing gas channels 4, allowing carbon dioxide to diffuse more rapidly through the bulk of the membrane. Power supply 51 supplies current to the current collector plate
[0069]? A top sectional view of an EDCS cell is shown in FIG. a carbon collection channel 31, these collection channels 21, 31 for the outflow of carbon dioxide from the anode electrode.
[0070]? A top cross-sectional view of a preferred embodiment of an EDGS cell is shown in Figure 4, the cell optionally comprising an ionomer layer 11 interposed between the electrode and the membrane. Ionomer iayers can optionally enclose the electrodes, carbon dioxide recovery channels, and current collectors to provide an airtight sea! Electrodes are arranged around the electrodes. The ionomer layer contains an anion exchange polymer
[0071]? If the membrane is porous, the ionomer layer can be replaced with a layer of dense anion exchange polymer that can prevent the escape of carbon dioxide from the anode.
[0072]? FIG. 5 shows a top cross-sectional schematic of a repeating unit, an EDCS comprising a stack of one or more repeating units 1, each unit 1 comprising a bipolar electrode assembly 2 and a membrane 3. EDCS, although comprising one or more cells as described above, may be convenient to manufacture stacks from repeating units 1 rather than individual cells.
[0073]? The bipolar electrode assembly 2 comprises a second electrode 20 and a second carbon dioxide collection channel 21 of one cell and a first electrode 30 and a first carbon dioxide collection channel 31 of an adjacent cell. Two adjacent current collectors are replaced by a single bipolar plate 10, optionally the bipolar electrode assembly further comprising an ionomer layer 11 surrounding the exterior of the electrodes, bipolar plates and carbon dioxide channels. can
[0074]? The first and second electrodes 20, 30 can comprise a nickel hydroxide electrocatalyst and an anion exchange polymer with sufficient porosity to allow gas transport.
[0075]? The first and second electrodes 20, 30 may further comprise conductive additives such as graphite, carbon black, or metallic nickel.
[0076]? The first and second carbon dioxide channels 21,31 roll the plate to form channels with gaps 22,32 that allow fluid communication with the first and second electrodes 20,30. can be formed from the bipolar plate 10 by
[0077]? Optionally, the bipolar electrode 2 further comprises an ionomer envelope 11 in contact with the first electrode 20, the first carbon dioxide collection channel 21, the second electrode 30, and the second carbon dioxide collection channel 31; The ionomer envelope 11 provides a hermetic seal to isolate the first electrode 20 and the second electrode 30 from the surrounding environment.
[0078]? A front cross-sectional view of the bipolar electrode 2 is shown in FIG. 23, optionally the ionomer envelope 11 can contact the bipolar plate 10, and the unsealed ends 26, 36 of the first and second electrodes 20, 30, respectively, are connected to the second in fluid communication with the first and second carbon dioxide channels 21, 31 (Fig. 5)
[0079]? A planar module contains a stack of planar cells, with manifolds incorporated in the boundary regions outside the active area and may be separated by bipolar plates incorporating flow channels to distribute gas to each cell cell, or the cells may be separated by planar bipolar plates with conductive mesh feed spacers used to provide flow paths. The former are electrically connected in series by a conductive bipolar plate, as shown in Figure 7? Although a planar configuration is shown, EDCS can be fabricated in other configurations such as spiral stacks as known in the art.
[0080]? A front cross-sectional view of a stack 40 comprising multiple repeat units 1 electrically connected in series is shown in FIG. and second manifold 34, or both the first and second manifolds 24, 34 can be located at the top or bottom of the bipolar electrode 2? Optionally, additional manifolds can be added to create both inlet and outlet manifolds for each carbon dioxide channel. The first carbon dioxide channel 21 of each unit 1 is in fluid communication with the first manifold 24 and the second carbon dioxide channel 31 of each unit 1 is in communication with the second manifold 34.
[0081]? In FIG. 8, a top cross-sectional view of the stack 40 shows the vertically oriented (perpendicular to the page) first and second carbon dioxide channels 21, 31 and the horizontally oriented (parallel to the page) carbon dioxide-containing gas channel 4. (not shown). Although this orientation is shown, the device can be used in any orientation or in any orientation.
[0082]? Each bipolar electrode 2 of the stack 40 has a second carbon dioxide channel 31 (not shown) for preventing fluid communication between the end of the second electrode 30 and the first manifold 24; and a gasket 23 sealing the end of the electrode 20 and the first carbon dioxide channel 21 (not shown) to prevent fluid communication with the second manifold 34.
[0083]? In the laminate 40, the repeating unit 1 has one bipolar electrode 2 and one membrane 3, but the boundaries of the repeating unit do not coincide with the boundaries of the single cells. A single cell comprises the second electrode 30 and membrane 3 of one repeating unit 1 and the first electrode 20 of the next adjacent repeating unit 1
[0084]? The right end of the stack shown in Figure 7 includes an end electrode 43 adjacent to the current collector 46 to complete the final cell. The bipolar electrode 2 of the first repeating unit 1 at the Sett end of the stack 40 can also be regarded as the end electrode 41, although the end electrodes 41, 43 can be of the same or similar construction as the bipolar electrode 2. possible, in which case there are extra electrodes and extra carbon dioxide flow paths, but they are not used for stack operation
40.
[0085]? Alternatively, the end electrodes 41, 43 may consist of only a single electrode, a bipolar plate, and a single carbon dioxide channel, the bipolar plate 10 of the end electrodes 41, 43 and the current collector 45, including transition spacers 42, 44 between 46
[0086]? The end electrodes 41, 43 are electrically connected to current collectors 45, 46 with external electrical connections to the stack.
[0087]? The first and second manifolds 24, 34 have outlets with check valves 25, 35 to prevent backflow of carbon dioxide into the stack 40, and during operation the electrodes as cathodes are the electrodes, dioxide Any available carbon dioxide within the carbon channels and manifold pore volume is consumed, but the amount of this carbon dioxide is limited. A check valve prevents the influx of additional carbon dioxide and the carbon dioxide is quickly consumed? The check valves also control air inflow to the cathode side of the cell or stack, air outflow (CO2 removed) from the cathode side of the cell or stack, and carbon dioxide outflow from the anode side of the cell or stack.
[0088]? The EDCS may further comprise a fan 50 for improving circulation of the carbon dioxide-containing gas through the channel 4 and through the cathode void volume, if present.
[0089]? Alternatively, the membrane does not have channels and the electrode channels are adapted for the flow of both the carbon dioxide-containing gas and the carbon dioxide-producing gas. The carbon dioxide-containing gas is directed to the cathode electrode, as shown in FIG. 12, and the carbon dioxide-generating gas is recovered from the anode electrode, as shown in FIG. Hydroxide and carbon dioxide reactions take place in the cathode, not in the membrane
[0090]? The EDCS can include gas diffusion layers on the outside of the electrodes. The gas diffusion layer can comprise any suitable material known in the art, such as carbon paper. For example, the gas diffusion layer can include Toray Paper 060 with 5% and 10% wet proof and/or Sigracet 29BC
[0091]? Anion exchange polymers used in the two electrodes, membranes or ionomer layers are poly(arylpiperidinium), alkylammonium-functionalized poly(arylalkylene), substituted imidazolium-functionalized poly(arylalkylene), alkylammonium-functionalized Poly(styrene), substituted imidazolium functionalized poly(styrene), alkylammonium functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), substituted imidazolium functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene)? alkylammonium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), substituted imidazolium-functionalized poly(styrene-block-evirene-co-butadiene-block-styrene), alkylammonium-functionalized poly(ethylene ), substituted imidazolium-functionalized poly(ethylene), alkylammonium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), substituted imidazolium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), alkynylammonium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene )? Substituted imidazolium-functionalized poly(ethylene-co-tetraphylloethylene), polyethylenimine, poly(diallylammonium), polydiallyldimethylammonium, or combinations thereof. poly(arylpiperidinium) or polydiallyldimethylammonium are preferred
[0092]? The anion exchange polymer in the two electrodes is preferably identical
[0093]? Ionomers provide a hydroxide-conducting network. All experimentally used PAP membranes and ionomers. PAP membranes and ionomers are described in U.S. Patent No. 10,290890, U.S. Patent Application Serial No. 16/651,622, and Pott Publication WO 2019/068051, which are hereby incorporated by reference in their entireties. A preferred ionomer is PAP-TP-85
[0094]? The anion exchange polymer in the membrane can be different from the anion exchange polymer in the electrodes or the anion exchange polymer in the ionomer layer. The anion exchange polymers in these components may be the same, some may be the same, or all may be different.
[0095]? The battery electrode reaction of EDCS requires periodic operation, the current is periodically reversed, the electrode is the cathode, producing hydroxide, the electrode is the anode, concentrating carbon dioxide
[0096]? The EDCS is powered by a power supply. A power supply can directly invert its output current, or a dual-pole dual-throw switch/relay can be used to reverse the connections between the terminals of the EDCS and the terminals of the power supply.
[0097]? A typical bipolar plate is a thin sheet of stainless steel. One side is electrically connected to the anode and the other side is electrically connected to the cathode of the adjacent cell
[0098]? Electrodes can be prepared by methods known in the art. Electrodes can be prepared from inks containing the charge storage compounds described herein and anion exchange polymers that are then sprayed or cast onto the adjacent components of the cell. Alternatively, the charge storage compound can be electro-deposited onto the substrate and then coated with the anion exchange polymer? For example, Ni(OH) electrodes are electrodeposited onto substrates from nickel chloride (NiCl) solution using a three-electrode cell, followed by pre-cycling in potassium hydroxide solution to produce NiO(OH). It can be prepared by The NiO(OH)/Ni(OH)2 electrode is then soaked with the anion exchange polymer from solution
[0099]? An EDCS cell or EDCS stack can be constructed using standard methodologies well known in the art
[00100]? EDCs as described herein provide low cost electrochemical cells to efficiently remove CO2 with minimal energy costs and long cycle life over conventional energy sources. The CO2 obtained can be used for chemical synthesis. Air depleted of carbon dioxide gas can be supplied to a metal-air battery or other device or process using an air intake
[00101]? The EDCS described herein are those in which the carbon dioxide-containing gas supplied to the metal-air battery is less than about 20 ppm, 18 ppm, 16 ppm, 15 ppm, achieved by the reaction of CO with hydroxide ions at the cathode of the EDCS. Contains 12ppm, 10ppm, 8ppm, 6ppm, 5ppm, 4ppm, 3ppm, or 2ppm carbon dioxide
[00102]? If the flue gas, such as that produced by power plants, is a carbon dioxide-containing gas, the flue gas may be released into the atmosphere after removal of the CO2, or may be freed from other pollutants before it is released. may be further processed to remove
[00103]? EDCS is a carbon negative emission, direct air capture technology that can be used to offset the effects of carbon emitting technologies such as fossil fuels, intended for industrial processes and terrestrial use, achieving net zero CO2 emissions. and minimize climate change
[00104]? EDCS does not involve handling liquids or solids, or require high temperature calcinations as required by some carbon negative technologies
[00105]? Although the invention disclosed herein is illustrated with a DAC application, other applications are possible. Examples of these applications include removing CO2 from the air entering or entering a building, enabling higher recirculation rates and thus saving HVAC energy consumption, and removing CO2 manned spacecraft. , and ambient air info including pumping CO2 from greenhouses or other structures to aid plant growth? definition
[00106]? "Bipolar plates provide an electrical connection between the cathode of one cell and the anode of an adjacent cell,
[00107]? "slpm" is a unit of gas flow rate equivalent to 1 L/min under standard conditions of 0°C and 1 atm
[00108]? Having described the invention in detail, it will be apparent that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims.

[00109]？本発明をさらに説明するために、以下の非限定的な例が提供される
？[実施例1]電極製剤
[00110]？Ni (OH)2電極を、3電極セルを用いて塩化ニッケル(NiCl 2)溶液からニッケルフォーム基板上に電着することにより作製した。より具体的には、電極は、0。1M NiCl 2溶液中の10mA/cm 2の電流密度で30分間約5cmの寸法で約5cmの寸法でニッケルフォーム上に電着され、続いて0。1M KOH溶液中で予めサイクリングされてNiO (OH)が生成された。NiO (OH)/Ni (OH)2電極を、5重量%溶液からエタノール溶媒中でポリ(アリールピペリジニウム)アイオノマーで浸漬した
？[実施例2]EDCS製剤
[00111]？完全EDCS細胞を、poを用いて構築した!Y (arySピペリジニウム)膜および2つのNiO (OH)/Ni (OH)2電極。セルを25cm (2)の単セル型燃料電池固定具に3重の蛇行流場を用いて組み立てた。5cmの開口部を有するガスケットをアノード流れ場上に配置した。次に、5cmのカーボンペーパーガス拡散層をアノード流れ場の開口部に配置した。第1NiO (OH)/Ni (OH)2電極をガス拡散層、7、5cm：x 7の上に配置した5？cm膜を電極およびガスケットの上に配置した。5cmの開口を有する第2のガスケットを膜上に配置し、第2の電極を膜と接触して開口の内側に配置した。第2の電極上に、5cmのカーボンペーパーガス拡散層による第2の5cmを配置した。最後に、カソード流れ場を配置し、細胞を閉鎖した
？[実施例3]EDCS動作及び性能
[00112]？セルは、440ppmのCO2を含む0。5slpmの空気によって供給され、57。7℃の露点に加湿されたアノードおよびカソードの両方で、60℃で運転された。アノードおよびカソード出口の両方を凝縮器を通過させて水を除去し、CO2分析器に向けてCO2の含有量を測定した。細胞をポテンショスタットに接続してセル電圧を制御し、電流を測定した。セルは、一連の電圧保持ステップ：-0。8V、1200s、-0。3V、600s、0で実行された3？970s、-0。3Vは1800s、1350sは0。3Vである
[00113]？結果は、図9に示され、アノードおよびカソード出口流中の電流、電圧、CO2濃度、セルを通るCO2輸送の計算速度、およびCO2の1分子当たりに通過する電子の計算された比を含む
？輸送。CO2は、印加電圧の極性に応じて双方向に輸送されたことが示された。輸送されたCO2分子を通過した電子の割合は、典型的には1から2までの範囲であって、EDCSのカソード内で水酸化物を炭素および重炭酸水素に近完全に変換することを示す
[00114]？図10では、CO2フラックスが示され、各電圧保持ステップにわたって平均化され、セル領域によって正規化され、年間ベースに変換される。-0。8Vでの保持は、より高いエネルギー消費にもかかわらず、+/-0。3Vでの保持よりも有意に優れていなかった。+/-0。3Vでの平均化を平均化すると、CO2フラックスは19kg/m 2-年であった
[00115]？図11において、単セルのエネルギー消費量は、輸送されたCO2のトング毎に算出された。+/-0。3Vを超えて平均化したところ、電気化学セル単独(補機を除く)からのエネルギー消費は0。6MWh/tであった
[00116]？本発明の要素又はその好ましい実施形態を導入する場合、物品"a"、"an"、"the"及び"the"は、1つ以上の要素が存在することを意味するものとする。"含む"、"含む"、および"含む"という用語は、包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する
[00117]？上記のことから、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が達成されることが分かるであろう
[00118]？本発明の範囲から逸脱することなく、上記の装置および方法において種々の変更を行うことができるので、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されているレール事項は、例示として解釈され、限定的な意味ではないことが意図される [00109]? To further illustrate the invention, the following non-limiting examples are provided. [Example 1] Electrode preparation
[00110]? Ni(OH)2 electrodes were fabricated by electrodeposition onto nickel foam substrates from nickel chloride (NiCl2) solutions using a three-electrode cell. More specifically, the electrodes were electrodeposited on nickel foam at a current density of 10 mA/cm 2 in a 0.1 M NiCl 2 solution for 30 minutes with a dimension of about 5 cm followed by 0.1 M NiCl 2 solution. Pre-cycled in KOH solution to generate NiO (OH). NiO(OH)/Ni(OH)2 electrodes were soaked with poly(arylpiperidinium) ionomers in ethanol solvent from a 5 wt% solution? [Example 2] EDCS formulation
[00111]? Full EDCS cells were constructed with a po!Y (aryS piperidinium) membrane and two NiO (OH)/Ni (OH) electrodes. The cell was assembled in a 25 cm (2) single cell fuel cell fixture using a triple serpentine flow field. A gasket with a 5 cm opening was placed over the anode flow field. A 5 cm carbon paper gas diffusion layer was then placed at the opening of the anode flow field. A first NiO(OH)/Ni(OH)2 electrode was placed on top of the gas diffusion layer, 7, 5 cm:x 7?5? A cm membrane was placed over the electrode and gasket. A second gasket with a 5 cm opening was placed over the membrane and a second electrode was placed inside the opening in contact with the membrane. A second 5 cm by 5 cm carbon paper gas diffusion layer was placed on the second electrode. Finally, placed the cathode flow field and closed the cell? [Example 3] EDCS operation and performance
[00112]? The cell was operated at 60°C with both the anode and cathode humidified to a dew point of 57.7°C, supplied by 0.5 slpm air containing 440 ppm CO2. Both the anode and cathode outlets were passed through a condenser to remove water and directed to a CO2 analyzer to measure the CO2 content. Cells were connected to a potentiostat to control cell voltage and measure current. The cell was run in a series of voltage holding steps: -0.8V, 1200s, -0.3V, 600s, 0.3~970s, -0.3V is 1800s, 1350s is 0.3V
[00113]? The results are shown in Figure 9 and include the current, voltage, CO2 concentration in the anode and cathode exit streams, the calculated rate of CO2 transport through the cell, and the calculated ratio of electrons passing per molecule of CO2? shipping. It was shown that CO2 was transported bidirectionally depending on the polarity of the applied voltage. The fraction of electrons that passed through the transported CO2 molecule typically ranged from 1 to 2, indicating near-complete conversion of hydroxide to carbon and bicarbonate within the EDCS cathode.
[00114]? In Figure 10, the CO2 fluxes are shown, averaged over each voltage holding step, normalized by cell area, and converted to an annual basis. Retention at −0.8 V was not significantly better than retention at +/-0.3 V despite the higher energy consumption. Averaging +/-0.3V averaging, the CO2 flux was 19kg/m2-year
[00115]? In Figure 11, the energy consumption of a single cell was calculated per ton of CO2 transported. Averaged over +/-0.3V, the energy consumption from the electrochemical cell alone (excluding auxiliaries) was 0.6MWh/t
[00116]? When introducing elements of the invention or preferred embodiments thereof, articles "a", "an", "the" and "the" shall mean the presence of one or more elements. The terms "including,""including," and "including" are meant to be inclusive and mean that there may be additional elements other than the listed elements.
[00117]? From the foregoing it will be seen that the several objects of the invention are achieved and other advantageous results attained.
[00118]? Since various changes may be made in the above apparatus and methods without departing from the scope of the invention, the rail items contained in the foregoing description and shown in the accompanying drawings are to be construed as illustrative, intended in no limiting sense

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年５月２０日出願の米国仮出願第６３／０２７，７６０号の利益を主張し、その開示全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。 CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of US Provisional Application No. 63/027,760, filed May 20, 2020, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

連邦政府の資金による研究又は開発に関する声明
本発明は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｇｅｎｃｙ－Ｅｎｅｒｇｙ（ＡＲＰＡ－Ｅ），Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙによって付与された助成金ＤＥ－ＡＲ０００１０３４の下で政府の支援を受けて成された。政府は、本発明においてある特定の権利を有する。 STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT S. Made with government support under grant DE-AR0001034 awarded by the Department of Energy. The Government has certain rights in this invention.

電気化学的デバイス、特に外部電流電気化学ポンプ（ｅＥＣＰ）としても知られる電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）が開示される。ＥＤＣＳは、空気から二酸化炭素を分離するための方法に使用され得る。 An electrochemical device, in particular an electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS), also known as an external current electrochemical pump (eECP), is disclosed. EDCS can be used in a method for separating carbon dioxide from air.

化石燃料及びその他の資源の燃焼による二酸化炭素（ＣＯ２）の排出は、大気中のＣＯ２の蓄積を引き起こすことにより、気候変動をもたらし、全ての社会にとって高いコストを支払う結果となっている。カーボンニュートラルな置き換えは、化石燃料の多くの使用に対して実行可能であるが、いくつかの用途には、経済的に実行可能な代替手段がほとんどない。これらの用途では、ＣＯ２を回収して、そのＣＯ２を地下で隔離するか、又は再生可能エネルギでＣＯ２を使用してカーボンニュートラルな方法で燃料を作成するか、のいずれかによって、炭素ベース燃料の継続的な使用を相殺することができる。ＣＯ２排出の大規模なポイントソースは、相対的に濃縮された流れから回収することができる。しかしながら、輸送及び室内暖房などの化石燃料の分散された使用については、使用時点でＣＯ２排出を回収することができない。 Emissions of carbon dioxide (CO 2 ) from the burning of fossil fuels and other resources result in climate change and high costs to all societies by causing the accumulation of CO 2 in the atmosphere. Although carbon-neutral replacement is viable for many uses of fossil fuels, some applications have few economically viable alternatives. In these applications, either by capturing the CO2 and sequestering the CO2 underground, or by using the CO2 in renewable energy to create fuel in a carbon-neutral manner, carbon Continued use of base fuel can be offset. Large point sources of CO2 emissions can be recovered from relatively concentrated streams. However, for distributed uses of fossil fuels such as transportation and room heating, CO2 emissions cannot be captured at the point of use.

大気からのＣＯ２の直接空気回収（ＤＡＣ）を使用して、ＣＯ２排出の分散源を相殺することができる。更に、ＤＡＣは、社会が大気中のＣＯ２排出の許容レベルを超えた場合に、大気中から過去のＣＯ２排出を除去する可能性を有する。ＤＡＣの既存の技術は、主に吸着剤又は溶媒を使用した熱及び圧力ベースの分離に焦点を当てている。 Direct air capture (DAC) of CO2 from the atmosphere can be used to offset distributed sources of CO2 emissions. Furthermore, DAC has the potential to remove past CO2 emissions from the atmosphere when society exceeds acceptable levels of CO2 emissions in the atmosphere. Existing technologies for DAC focus primarily on heat- and pressure-based separations using adsorbents or solvents.

ＥＤＣＳは、水酸化物アニオンの電気化学的に生成されたフラックスを使用して、ＣＯ２をガス混合物から分離する。ＣＯ２は、水酸化物アニオンのような強塩基と反応して、炭酸塩及び重炭酸塩アニオンを形成する。

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 ＥＤＣＳでは、水酸化物アニオンがカソードで生成され、混合ガス流からのＣＯ２と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩アニオンは、アノードに電気化学的に駆動され、水酸化物を消費してｐＨを低下させる。ｐＨの低下により、式１及び２の平衡が気体ＣＯ２に有利に移行し、ＣＯ２が、それを除去した混合ガス流よりもはるかに高い分圧に濃縮される。 EDCS uses an electrochemically generated flux of hydroxide anions to separate CO2 from a gas mixture. CO2 reacts with strong bases such as hydroxide anions to form carbonate and bicarbonate anions.
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 In EDCS, hydroxide anions are produced at the cathode and react with CO2 from the mixed gas stream. The resulting carbonate and bicarbonate anions are electrochemically driven to the anode, consuming hydroxide and lowering the pH. A decrease in pH shifts the equilibrium of Equations 1 and 2 in favor of gaseous CO2 , concentrating the CO2 to a much higher partial pressure than the mixed gas stream from which it was removed.

原則として、水酸化物アニオンを生成し消費するいずれの一対の電気化学反応を、ＥＤＣＳのカソード及びアノードに使用してもよい。ＥＤＣＳの以前の例は、水素、酸素、及び水の反応、すなわち、カソードについては酸素還元反応（ＯＲＲ）又は水素発生反応（ＨＥＲ）、アノードについては酸素発生反応（ＯＥＲ）又は水素酸化反応（ＨＯＲ）に基づいている。Ｒｉｇｄｏｎ，Ｗ．Ａ．ら（２０１７）．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ，１４（２），ｐ．０２０７０１；Ｌａｎｄｏｎ，Ｊ．＆Ｋｉｔｃｈｉｎ，Ｊ．Ｒ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１５７，Ｂ１１４９（２０１０）、Ｐｅｎｎｌｉｎｅ，Ｈ．Ｗ．ら、Ｆｕｅｌ８９，１３０７－１３１４（２０１０）、Ｗｉｎｎｉｃｋ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｐｒｏｇ．８６，４１－４５（１９９０）；Ｗｉｎｎｉｃｋ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．１，２０５－２４８（１９９０）；Ｌｉ，Ｋ．＆Ｌｉ，Ｎ．Ｓｅｐ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２８，１０８５－１０９０（１９９３）。ＤＡＣの用途に対し、水素、酸素、及び水の４つの反応は、いくつかの理由にあまり適切ではない。ＯＲＲは、空気中の酸素を考えると便利なカソード反応であるが、ＯＲＲを駆動するために必要な運動過電位は、エネルギ消費を著しく増加させる。ＨＥＲは、カソードで水素副生成物の生成を伴い、これは通常、空気流に失われることになるため、エネルギのかなりの無駄を示す。アノード反応としてのＨＯＲは、水素の供給を必要とし、水素は、回収されたＣＯ２の値と比較して、生成するのにエネルギ集約的かつ高価である。最後に、アノード反応としてのＯＥＲは、大きな運動過電位を必要とし、酸素副生成物との混合物として生成されるＣＯ２となり、その後、追加の下流分離を必要とする。 In principle, any pair of electrochemical reactions that produce and consume hydroxide anions may be used for the cathode and anode of the EDCS. Previous examples of EDCS are reactions of hydrogen, oxygen, and water: oxygen reduction reaction (ORR) or hydrogen evolution reaction (HER) for the cathode and oxygen evolution reaction (OER) or hydrogen oxidation reaction (HOR) for the anode. ). Rigdon, W.; A. (2017). Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 14(2), p. 020701; Landon, J.; & Kitchen, J.; R. J. Electrochem. Soc. 157, B1149 (2010), Pennline, H.; W. et al., Fuel 89, 1307-1314 (2010), Winnick, J. et al. Chem. Eng. Prog. 86, 41-45 (1990); Winnick, J.; Electrochem. Sci. Eng. 1, 205-248 (1990); Li, K.; & Li, N. Sep. Sci. Technol. 28, 1085-1090 (1993). For DAC applications, the four reactions of hydrogen, oxygen, and water are less suitable for several reasons. Although ORR is a convenient cathodic reaction given oxygen in air, the kinetic overpotentials required to drive ORR significantly increase energy consumption. HER involves the production of hydrogen by-product at the cathode, which typically represents a significant waste of energy as it would be lost to the air stream. HOR as an anodic reaction requires a supply of hydrogen, which is energy intensive and expensive to produce compared to the value of CO2 recovered. Finally, OER as an anodic reaction requires a large kinetic overpotential, resulting in CO2 being produced as a mixture with the oxygen by-product, which then requires additional downstream separation.

したがって、空気から二酸化炭素を除去するための、より効率的で費用対効果の高いデバイス及び方法が必要である。 Therefore, there is a need for more efficient and cost effective devices and methods for removing carbon dioxide from air.

本開示は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するための、電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＣＤＳ）を対象とする。ＥＣＤＳは、セルを備える。セルは、アノード又はカソードとして作動することができる２つの電極であって、２つの電極は、電荷貯蔵化合物及びアニオン交換ポリマを含み、電荷貯蔵化合物は、カソードとして作動する場合、水酸化物を形成するように反応し、アノードとして作動する場合、水酸化物を消費するように反応することができる、２つの電極と、２つの電極に隣接し、かつ２つの電極に隣接を分離する膜であって、膜は、アニオン交換ポリマを含む、膜と、膜内で二酸化炭素含有ガスの流入に適合されたチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を備える。セルは、動作中に、カソードとなる電極で生成された水素は、膜に輸送され、二酸化炭素含有ガスは、膜と接触し、二酸化酸素は、水酸化物イオンと反応して重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンを形成し、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送され、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、アノードとして作動する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成し、二酸化炭素は、アノードとなる電極の二酸化炭素の流出に適合されたチャネルを通ってＥＤＣＳから放出されるように適合されている。 The present disclosure is directed to an electrochemically driven carbon dioxide separator (ECDS) for separating carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide. An ECDS comprises cells. The cell has two electrodes that can operate as an anode or a cathode, the two electrodes comprising a charge storage compound and an anion exchange polymer, the charge storage compound forming a hydroxide when operating as a cathode. two electrodes, and a membrane adjacent to and separating the two electrodes, capable of reacting to form and, when acting as an anode, reacting to consume hydroxide. The membrane defines a membrane comprising an anion exchange polymer, a channel adapted for the inflow of a carbon dioxide-containing gas within the membrane, and an opening adapted for the outflow of carbon dioxide and in contact with the electrode serving as the anode. a channel adapted for the outflow of carbon dioxide and defining an opening in contact with an electrode serving as a cathode. During cell operation, hydrogen produced at the cathode electrode is transported to the membrane, a carbon dioxide-containing gas contacts the membrane, and the dioxide reacts with hydroxide ions to form bicarbonate ions. , carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions, which are transported through the membrane to the anode electrode, where bicarbonate Salt ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions react at the electrode acting as the anode to form carbon dioxide and water, which is adapted to the carbon dioxide outflow of the electrode serving as the anode. It is adapted to be emitted from the EDCS through a specific channel.

本開示の別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）を対象とする。ＥＤＣＳは、セルを備える。セルは、アノード又はカソードとして作動することができる２つの電極であって、２つの電極は、任意選択的に部分酸化状態のニッケル水酸化物及びアニオン交換ポリマを含み、ニッケル水酸化物は、カソードとして作動する場合、水酸化物を形成するように反応し、アノードとして作動する場合、水酸化物を消費するように反応することができる、２つの電極と、２つの電極に隣接しており、かつ２つの電極を分離する膜であって、膜は、アニオン交換ポリマを含む、膜と、二酸化炭素の流出、又は二酸化炭素含有ガスの流入に適合され、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、二酸化炭素の流出、又は二酸化炭素含有ガスの流入に適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を備える。セルは、動作中に、カソードとなる電極で水酸化物が生成され、二酸化炭素含有ガスは、カソードとなる電極と接触し、二酸化炭素は、水酸化物イオンと反応して重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンを形成し、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送され、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、アノードとして作動する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成するように適合されている。 Another aspect of the present disclosure is directed to an electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) for separating carbon dioxide from carbon dioxide containing gases. The EDCS comprises cells. The cell has two electrodes that can operate as an anode or a cathode, the two electrodes optionally comprising nickel hydroxide in a partially oxidized state and an anion exchange polymer, the nickel hydroxide being the cathode. two electrodes capable of reacting to form hydroxides when operating as anodes and capable of reacting to consume hydroxides when operating as anodes; and a membrane separating the two electrodes, the membrane comprising an anion exchange polymer and an opening adapted for outflow of carbon dioxide or inflow of a carbon dioxide-containing gas and in contact with the electrode serving as the anode. and a channel adapted for outflow of carbon dioxide or inflow of a carbon dioxide-containing gas and defining an opening in contact with an electrode serving as a cathode. During operation of the cell, hydroxide is produced at the cathode electrode, a carbon dioxide-containing gas is contacted with the cathode electrode, the carbon dioxide reacts with the hydroxide ions to form bicarbonate ions, Forming carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions, the bicarbonate ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions are transported through the membrane to the electrode, which becomes the anode, where the bicarbonate The ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions are adapted to react to form carbon dioxide and water at the electrode acting as the anode.

ＥＤＣＳは、電極に電流を供給するための電源を更に備えることができ、電源は、電流の方向を交互に逆転させることにより、各電極を次々にアノード及びカソードとして作動させることができるように適合されている。あるいは、ＥＤＣＳは、電極に電流を供給するための電源と、電源及び電極に結合された電気スイッチと、を更に備えることができ、電気スイッチは、電流の方向を交互に逆転させることにより、各電極を次々にアノード及びカソードとして作動させることができるように適合されている。 The EDCS may further comprise a power supply for supplying current to the electrodes, the power supply being adapted to alternately reversing the direction of the current so that each electrode in turn can be operated as an anode and a cathode. It is Alternatively, the EDCS can further comprise a power source for supplying current to the electrodes, and an electrical switch coupled to the power source and the electrodes, the electrical switch alternately reversing the direction of the current to cause each It is adapted so that the electrodes can be operated in turn as anode and cathode.

ＥＤＣＳは、電極の各々に隣接する集電体を更に備えることができる。 The EDCS can further comprise current collectors adjacent each of the electrodes.

電荷貯蔵化合物は、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属酸化物、又は水素貯蔵合金を含むことができる。例えば、電荷貯蔵化合物は、ニッケル水酸化物、二酸化マンガン、部分的に荷電した状態のニッケル水酸化物、又はランタンニッケル水素化物を含むことができる。好ましくは、電荷貯蔵化合物は、ニッケル水酸化物、又は部分的に荷電した状態のニッケル水酸化物を含む。 Charge storage compounds can include metal hydroxides, metal oxyhydroxides, metal oxides, or hydrogen storage alloys. For example, the charge storage compound can include nickel hydroxide, manganese dioxide, partially charged nickel hydroxide, or lanthanum nickel hydride. Preferably, the charge storage compound comprises nickel hydroxide or nickel hydroxide in a partially charged state.

ＥＤＣＳは、２つの電極の各々の端部に沿って集電体に延びる、膜と２つの電極の各々との間のイオノマ層を更に備えることができ、イオノマ層は、アノードとなる電極及びアノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネル内で、アノードとなる電極から放出された二酸化炭素を封止するように適合されている。 The EDCS can further comprise an ionomer layer between the membrane and each of the two electrodes extending along the edge of each of the two electrodes to the current collector, the ionomer layer being the anode and the anode. adapted to seal carbon dioxide released from the anode electrode within a channel for the outflow of carbon dioxide from the anode electrode.

イオノマ層は、アニオン交換ポリマを含むことができる。 The ionomer layer can include an anion exchange polymer.

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ、及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、四級アンモニウム基又はイミダゾリウム基及びエーテル基を有しないポリマ主鎖を含むことができる。 The anion-exchange polymer of the two electrodes, the anion-exchange polymer of the membrane, and/or the anion-exchange membrane of the ionomer layer can independently comprise a polymer backbone free of quaternary ammonium or imidazolium groups and ether groups. can.

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ（アリールピペリジニウム）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、ポリエチレンイミン、ポリ（ジアリルアンモニウム）、ポリジアリルジメチルアンモニウム、又はそれらの組み合わせを含むことができる。 The anion-exchange polymer of the two electrodes, the anion-exchange polymer of the membrane and/or the anion-exchange membrane of the ionomer layer are independently poly(arylpiperidinium), alkylammonium-functionalized poly(arylalkylene), substituted-imidazo Lithium-functionalized poly(arylalkylene), alkylammonium-functionalized poly(styrene), substituted-imidazolium-functionalized poly(styrene), alkylammonium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), substituted-imidazo Lithium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), alkylammonium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), substituted-imidazolium-functionalized poly(styrene-block-ethylene -co-butadiene-block-styrene), alkylammonium-functionalized poly(ethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene), alkylammonium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), alkylammonium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), polyethylenimine, poly(diallylammonium) , polydiallyldimethylammonium, or combinations thereof.

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ、及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ（アリールピペリジニウム）を含むことができる。 The anion exchange polymer of the two electrodes, the anion exchange polymer of the membrane, and/or the anion exchange membrane of the ionomer layer can independently comprise poly(arylpiperidinium).

イオノマ層のアニオン交換ポリマは、ポリジアリルジメチルアンモニウムを含むことができる。 The anion exchange polymer of the ionomer layer can include polydiallyldimethylammonium.

膜は、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを備えることができる。 The membrane can comprise a plurality of channels for the flow of carbon dioxide-containing gas into the membrane.

膜は、膜を通る二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を備えることができる。 The membrane can comprise void volume for diffusion of carbon dioxide-containing gas through the membrane.

セルは、ＥＤＣＳからのアノードとなる電極内で生成された二酸化炭素を、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネルを通して放出するように構成された逆止弁を更に備えることができる。２つの電極のいずれかが、ＥＤＣＳのサイクル動作中にアノードとなるため、２つのそのような逆止弁は、ＥＤＣＳ内に存在し得る。 The cell can further comprise a check valve configured to release carbon dioxide produced in the anodic electrode from the EDCS through a channel for the outflow of carbon dioxide from the anodic electrode. . Two such check valves may be present in the EDCS because either of the two electrodes becomes the anode during cycling of the EDCS.

ＥＤＣＳは、膜内の二酸化炭素含有ガスの流入のためのチャネルを通して二酸化炭素含有ガスを吹き込むためのファンを更に備えることができる。 The EDCS may further comprise a fan for blowing the carbon dioxide containing gas through the channels for inflow of the carbon dioxide containing gas in the membrane.

二酸化炭素含有ガスは、空気を含み得る。 A carbon dioxide-containing gas may include air.

ＥＤＣＳは、直列に電気的に接続された１つ以上の追加のセルからなるスタックと、アノードとなる電極の各々からの二酸化炭素の流出に適合したマニホールドと、を更に備えることができる。 The EDCS can further comprise a stack of one or more additional cells electrically connected in series and a manifold adapted for the outflow of carbon dioxide from each of the anode electrodes.

イオノマ層は、二酸化炭素の流出のための２つの電極及びチャネルの各々を取り囲むことができる。 An ionomer layer can surround each of the two electrodes and channels for the outflow of carbon dioxide.

集電体は、２つの集電体プレートの代わりに、各セルの間のバイポーラプレートと、スタックの各端部に集電体プレートと、を備えることができる。 The current collector can comprise a bipolar plate between each cell and a current collector plate at each end of the stack instead of two current collector plates.

バイポーラプレートは、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成することができる。二酸化炭素の流出のためのチャネルは、バイポーラプレート及び電極に対して垂直であり得る。 Bipolar plates can be configured to provide channels for the outflow of carbon dioxide. Channels for the outflow of carbon dioxide can be perpendicular to the bipolar plates and electrodes.

本開示の別の態様は、金属空気電池と、上述したＥＤＣＳと、を含む電池システムを対象とし、二酸化炭素含有ガスは空気であり、空気が二酸化炭素の濃度を低減するためにＥＤＣＳに供給された後、低減した濃度の二酸化炭素を有する空気は、金属空気電池のカソード入口に向けられる。 Another aspect of the present disclosure is directed to a battery system that includes a metal-air battery and an EDCS as described above, wherein the carbon dioxide-containing gas is air, and air is supplied to the EDCS to reduce the concentration of carbon dioxide. Afterwards, air with a reduced concentration of carbon dioxide is directed to the cathode inlet of the metal-air cell.

本開示の更に別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法を対象とする。本方法は、上記のように、ＥＤＣＳに二酸化炭素含有ガスを供給することと、ＥＤＣＳを通して電流を駆動することと、を含む。 Yet another aspect of the present disclosure is directed to a method of separating carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas. The method includes supplying a carbon dioxide-containing gas to the EDCS and driving an electric current through the EDCS, as described above.

電流は、２つの電極の一方がアノードとなり、２つの電極の他方がカソードとなる第１の段階と、電流が駆動され、その結果、２つの電極の一方がカソードとなり、２つの電極の他方がアノードとなる第２の段階とで、ＥＤＣＳを通して駆動され得る。 The current is driven in a first phase, where one of the two electrodes becomes the anode and the other of the two electrodes becomes the cathode, and the current is driven so that one of the two electrodes becomes the cathode and the other of the two electrodes becomes the cathode. It can be driven through EDCS, with the second stage being an anode.

ＥＤＣＳの電圧は、第１及び第２の段階の各々が、アノード内のニッケル水酸化物の大部分又は全てをニッケルオキシ水酸化物に変換し、カソード内のニッケルオキシ水酸化物の大部分又は全てをニッケル水酸化物に変換してから、１つ以上のセルの極性が逆転するのに十分な時間継続されるように、一定の電流で監視することができる。例えば、ＥＤＣＳの電圧が１セル当たり約０．５～約１．０Ｖの範囲である場合、１つ以上のセルの極性は逆転することができる。 The voltage of the EDCS is such that each of the first and second stages converts most or all of the nickel oxyhydroxide in the anode to nickel oxyhydroxide and most or all of the nickel oxyhydroxide in the cathode. After converting all to nickel hydroxide, a constant current can be monitored that lasts long enough for one or more cells to reverse polarity. For example, if the EDCS voltage is in the range of about 0.5 to about 1.0 V per cell, the polarity of one or more cells can be reversed.

この方法は、２つの電極を組み合わせた場合のニッケル水酸化物とニッケルオキシ水酸化物の合計に対するニッケルオキシ水酸化物の比率（１００を乗じると、セル平均充電状態（ＳＯＣ）を示す）を監視することと、比率が０．５未満に設定された所望の閾値に達したとき、又は電池平均ＳＯＣが５０％未満の所望の閾値に達したとき、介入をトリガすることと、を更に含むことができる。 This method monitors the ratio of nickel oxyhydroxide to the sum of nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide (multiplied by 100 indicates cell average state of charge (SOC)) for a combination of two electrodes. and triggering an intervention when the ratio reaches a desired threshold set to less than 0.5 or when the battery average SOC reaches a desired threshold of less than 50%. can be done.

この方法は、第１及び第２の段階の各々を通過した総電荷を監視することと、第１及び第２の段階の一方を通過した総電荷が、公称電極容量の所定の部分を下回るときに介入をトリガすることと、を更に含むことができる。 The method comprises monitoring the total charge passed through each of the first and second stages and when the total charge passed through one of the first and second stages falls below a predetermined fraction of the nominal electrode capacitance. and triggering an intervention in the.

介入は、より高い電圧閾値に達するまで動作の段階を延長することを含むことができる。例えば、より高い電圧閾値は、１セル当たり約１．０～約２．０Ｖの範囲であり得る。 Intervention can include extending the phase of operation until a higher voltage threshold is reached. For example, the higher voltage threshold can range from about 1.0 to about 2.0 V per cell.

介入は、所定量の電荷が通過するまで動作の段階を延長することを含むことができる。例えば、所定量の電荷は、公称電極容量の約８０％～約１２０％の範囲であり得る。 Intervention can include extending the phase of operation until a predetermined amount of charge has passed. For example, the predetermined amount of charge can range from about 80% to about 120% of the nominal electrode capacity.

介入は、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素又は空気を供給することを含むことができる。 Intervention can include supplying oxygen or air to the cathode to promote the oxygen reduction reaction.

介入は、水素発生反応を促進するためにＥＤＣＳに電流を印加することを含むことができる。 Intervention can include applying an electric current to the EDCS to promote the hydrogen evolution reaction.

他の目的及び特徴は、一部は明らかであり、一部は以下で指摘されるであろう。 Other objects and features will be in part obvious and in part pointed out below.

化学反応及び関連する主要な化学種を含む、動作の１つの段階におけるＥＤＣＳの概略図である。1 is a schematic diagram of an EDCS at one stage of operation, including chemical reactions and the major chemical species involved; FIG. 図３に示されるように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳセルの正面断面図である。Figure 4 is a front cross-sectional view of the EDCS cell taken along the line as shown in Figure 3; 図２に示すように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳセルの上面断面図である。Figure 3 is a top cross-sectional view of the EDCS cell taken along the lines shown in Figure 2; 電極の各々と、２つの電極の各々の端部に沿って集電体に延びる膜との間のイオノマ層を含むＥＤＣＳセルの上面断面図である。FIG. 4 is a top cross-sectional view of an EDCS cell including an ionomer layer between each of the electrodes and a membrane extending to the current collector along the edge of each of the two electrodes. 図６に示すように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳ繰り返しユニットの上面断面図である。7 is a top cross-sectional view of the EDCS repeat unit taken along the line shown in FIG. 6; FIG. 図５に示されるように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳ繰り返しユニットの正面断面図である。Figure 6 is a front cross-sectional view of the EDCS repeat unit taken along the line as shown in Figure 5; ＥＤＣＳスタックの正面断面図である。Fig. 2 is a cross-sectional front view of an EDCS stack; ＥＤＣＳスタックの上面断面図である。FIG. 3 is a top cross-sectional view of an EDCS stack; 実施例１に報告される、時間の関数としての、輸送されたＣＯ２分子当たりに通過した電子の計算比率、ＣＯ２輸送の計算流速、セル電流、セル電圧、アノード出口ＣＯ２濃度、及びカソード出口ＣＯ２濃度のプロットである。Calculated ratio of electrons passed per CO2 molecule transported, calculated flux of CO2 transport, cell current, cell voltage, anode exit CO2 concentration, and cathode exit CO2 concentration as a function of time, reported in Example 1 FIG. 4 is a plot of outlet CO 2 concentration; FIG. 実施例１の実験から計算され、各セル電圧保持ステップにわたって平均化された平均ＣＯ２フラックスを示す棒グラフである。2 is a bar graph showing the average CO2 flux calculated from the experiments of Example 1 and averaged over each cell voltage holding step; 実施例１の実験の各セル電圧ステップにわたる、補助機器を無視した電気化学セルの平均エネルギ消費量を示す。Figure 3 shows the average energy consumption of the electrochemical cell, ignoring the ancillaries, over each cell voltage step for the experiment of Example 1; 動作の両段階において、二酸化炭素含有ガスがカソードに向けられたＥＤＣＳの概略図を示す。Figure 2 shows a schematic of an EDCS with carbon dioxide-containing gas directed at the cathode in both stages of operation.

対応する参照符号は、図面全体を通して対応する部分を示す。 Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the drawings.

本開示は、電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）、及び利用又は隔離のための空気などの二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するためのそれらの使用を対象とする。ＥＤＣＳは、大気中のＣＯ２を除去することができるため、カーボンネガティブ技術である。 The present disclosure is directed to electrochemically driven carbon dioxide separators (EDCS) and their use for separating carbon dioxide from carbon dioxide containing gases such as air for utilization or sequestration. EDCS is a carbon negative technology as it can remove atmospheric CO2 .

例えば、本開示は、セル又はＥＤＣＳスタックを備える電気化学的に駆動されるＣＯ２セパレータを対象とする。ＥＤＣＳスタックは、直列に電気的に接続された１つ以上のセルを備える。 For example, the present disclosure is directed to electrochemically driven CO2 separators comprising cells or EDCS stacks. An EDCS stack comprises one or more cells electrically connected in series.

各セルは、第１の電極、膜、及び第２の電極を備える。第１の電極及び第２の電極は、ニッケル水酸化物、アニオン交換ポリマ、及び任意選択的にニッケル発泡ガス拡散層を備える。第１の電極及び第２の電極は、各々アノード及びカソード反応が可能であり、電流の流れの方向に応じて、一方の電極はセルのアノードとなり、他方の電極はセルのカソードとなる。 Each cell comprises a first electrode, a membrane and a second electrode. The first and second electrodes comprise a nickel hydroxide, an anion exchange polymer, and optionally a nickel foaming gas diffusion layer. The first and second electrodes are capable of anodic and cathodic reactions, respectively, with one electrode serving as the cell's anode and the other serving as the cell's cathode, depending on the direction of current flow.

アノードでは、ニッケル水酸化物（Ｎｉ（ＯＨ）２が酸化されてニッケルオキシ水酸化物（ＮｉＯ（ＯＨ））となり、プロセス中、以下の式に従って水酸化アニオン（ＯＨ－）を消費する。
Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ－→ＮｉＯ（ＯＨ）＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－［３］
カソード反応は式３の逆である。
ＮｉＯ（ＯＨ）＋Ｈ２Ｏ＋ｅ－→Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ－［４］ At the anode, nickel hydroxide (Ni(OH) 2 is oxidized to nickel oxyhydroxide (NiO(OH)), consuming hydroxide anions (OH − ) in the process according to the following equation:
Ni(OH) 2 +OH − →NiO(OH)+H 2 O+e − [3]
The cathodic reaction is the inverse of Eq.
NiO(OH)+H 2 O+e − →Ni(OH) 2 +OH − [4]

カソードで生成された水酸化物アニオンは、アニオン交換ポリマを含むイオノマ層によって膜内に輸送される。膜は、アニオン交換ポリマ及び一体型二酸化炭素含有ガス流動チャネルを備える。膜内で、空気からの二酸化炭素は、式１及び２に従って、水酸化物アニオンと反応して、重炭酸塩及び炭酸塩アニオンを作る。 Hydroxide anions generated at the cathode are transported into the membrane by an ionomer layer containing an anion exchange polymer. The membrane comprises an anion exchange polymer and integral carbon dioxide containing gas flow channels. Within the membrane, carbon dioxide from the air reacts with hydroxide anions to produce bicarbonate and carbonate anions according to Equations 1 and 2.

重炭酸塩、炭酸塩、及び任意の残りの水酸化物アニオンは、膜からアノードへ輸送される。アノードでは、式３によって水酸化物が消費されて、ｐＨが低減することにより、重炭酸塩及び炭酸塩が分解し、式１及び２の逆に従って、二酸化炭素及び水酸化アニオンを放出する。純粋二酸化炭素がアノードから収集される。 Bicarbonate, carbonate, and any remaining hydroxide anions are transported from the membrane to the anode. At the anode, the hydroxide is consumed by Eq. Pure carbon dioxide is collected from the anode.

セルは、第１の電極と流体連通する第１の二酸化炭素流動チャネルと、第２の電極と流体連通する第２の二酸化炭素流動チャネルと、を更に備える。電流の流れの方向に応じて、第１の二酸化炭素流動チャネルは、第１の電極がアノードとなっている場合に二酸化炭素を収集し、第２の二酸化炭素流動チャネルは、第２の電極がアノードとなっている場合に二酸化炭素を収集する。 The cell further comprises a first carbon dioxide flow channel in fluid communication with the first electrode and a second carbon dioxide flow channel in fluid communication with the second electrode. Depending on the direction of current flow, a first carbon dioxide flow channel collects carbon dioxide when the first electrode is the anode and a second carbon dioxide flow channel collects carbon dioxide when the second electrode is Carbon dioxide is collected when anodic.

スタックは、各セルの第１の二酸化炭素流動チャネルと流体連通する第１のマニホールドと、各セルの第２の二酸化炭素流動チャネルと流体連通する第２のマニホールドと、を更に備える。 The stack further comprises a first manifold in fluid communication with the first carbon dioxide flow channel of each cell and a second manifold in fluid communication with the second carbon dioxide flow channel of each cell.

ＥＤＣＳは、第１のマニホールドに接続された逆止弁と、第２のマニホールドに接続された逆止弁と、を更に備える。生成物二酸化炭素は、逆止弁を介してＥＤＣＳから収集され、逆止弁は、その電極がカソードとなっている場合に、マニホールド、流動チャネル、及び電極への二酸化炭素の逆流を防止するように配向される。 The EDCS further comprises a check valve connected to the first manifold and a check valve connected to the second manifold. Product carbon dioxide is collected from the EDCS through a check valve that prevents backflow of carbon dioxide to the manifold, flow channels, and electrode when that electrode is the cathode. oriented to

更に、本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、本明細書に記載のＥＤＣＳの膜の二酸化炭素含有ガス流動チャネルに二酸化炭素含有ガスを供給することと、ＥＤＣＳを通る電流をサイクル的に駆動することと、を含む方法を対象とする。電流のサイクル供給は、第１の電極がアノードとなり、第２の電極がカソードとなるように電流が駆動される第１の段階と、第１の電極がカソードとなり、第２の電極がアノードとなるように電流が駆動される第２の段階と、を含む。各段階は、アノード中のニッケル水酸化物の大部分又は全てをニッケルオキシ水酸化物に変換し、カソード中のニッケルオキシ水酸化物の大部分又は全てをニッケル水酸化物に変換するのに十分な時間継続される。 Further, the present disclosure provides a method for separating carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas comprising supplying the carbon dioxide-containing gas to a carbon dioxide-containing gas flow channel of a membrane of the EDCS described herein; and cyclically driving a current through the EDCS. The cyclic supply of current consists of a first stage in which the current is driven so that the first electrode is the anode and the second electrode is the cathode, and the first electrode is the cathode and the second electrode is the anode. and a second stage in which the current is driven such that Each step is sufficient to convert most or all of the nickel hydroxide in the anode to nickel oxyhydroxide and most or all of the nickel oxyhydroxide in the cathode to nickel hydroxide. continued for a long time.

電極のほぼ完全な変換がいつ行われたかを判断するために、ＥＤＣＳ電圧は監視される。定電流で電圧が所定の閾値を超えると、セルの極性が逆転される。電圧閾値は、１セル当たり０．５～１．０Ｖの範囲であってもよい。 The EDCS voltage is monitored to determine when near complete conversion of the electrodes has occurred. When the voltage exceeds a predetermined threshold at constant current, the polarity of the cell is reversed. The voltage threshold may be in the range of 0.5-1.0V per cell.

電極のセル平均充電状態（ＳＯＣ）は、合わせた電極中のニッケル水酸化物とニッケルオキシ水酸化物の合計に対するニッケルオキシ水酸化物の比率として定義され、ニッケルオキシ水酸化物への完全な変換は、１００％ＳＯＣを表し、ニッケル水酸化物への完全な変換は、０％ＳＯＣを表す。通常の動作中、第１及び第２の電極を合わせた平均ＳＯＣは、約５０％であるべきである。平均ＳＯＣが５０％から著しくはずれた場合、電極のサイクルの程度は制限されことになる。例えば、平均ＳＯＣが３０％である場合、各電極は０～６０％のＳＯＣからサイクル動作することができだけとなる。時間の経過とともに、酸素発生反応（ＯＥＲ）などの副反応により、セルの平均ＳＯＣが次第に減少する可能性がある。 The cell mean state of charge (SOC) of the electrode is defined as the ratio of nickel oxyhydroxide to the sum of nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide in the combined electrode, with complete conversion to nickel oxyhydroxide. represents 100% SOC and complete conversion to nickel hydroxide represents 0% SOC. During normal operation, the combined average SOC of the first and second electrodes should be about 50%. If the average SOC deviates significantly from 50%, the degree of electrode cycling will be limited. For example, if the average SOC is 30%, each electrode can only be cycled from 0-60% SOC. Over time, side reactions such as the Oxygen Evolving Reaction (OER) can progressively reduce the average SOC of the cell.

セル平均ＳＯＣが５０％を大幅に下回った場合、デバイスの寿命を延ばすために、追加の介入を適用してセルの平均ＳＯＣを上昇させることができる。１つの介入は、カソードが０％ＳＯＣ近くに達し、カソード電位が正常範囲を下回った後でも、セルを通る電流を駆動し続けることである。十分に低いカソード電位で、２つのカソード副反応のうちの１つが発生して、電流が流れ続けることができる。すなわち、酸素還元反応、又は水素発生反応である。 If the average cell SOC falls significantly below 50%, additional intervention can be applied to increase the average SOC of the cell in order to extend the life of the device. One intervention is to continue to drive current through the cell even after the cathode reaches near 0% SOC and the cathode potential drops below the normal range. At sufficiently low cathodic potential, one of two cathodic side reactions can occur and current can continue to flow. That is, it is an oxygen reduction reaction or a hydrogen evolution reaction.

更に、本開示は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、セルの平均ＳＯＣは、各段階を通過した総電荷を追跡することによって監視され、通過した電荷が公称電極容量の所定の部分を下回る場合に介入がトリガされる、方法を対象とする。介入は、より高い電圧閾値に達するまで動作の現在の段階を延長すること、を含んでもよい。より高い電圧閾値は、１セル当たり１．０～２．０Ｖの範囲であってもよい。あるいは、介入は、所定の電荷量が通過するまで動作の現在の段階を延長すること、を含んでもよい。所定の電荷は、公称電極容量の８０％～１２０％の範囲であってもよい。介入は、酸素還元反応を促進にするために、ＥＤＣＳのカソードに酸素又は空気を供給すること、を更に含んでもよい。ただし、水素発生反応によって電流が流れる場合があるため、酸素の供給は必須ではない。 Further, the present disclosure is a method for separating carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide, wherein the average SOC of the cell is monitored by tracking the total charge passed through each stage, wherein the charge passed is A method is directed wherein intervention is triggered when the nominal electrode capacity falls below a predetermined fraction. Intervention may include extending the current phase of operation until a higher voltage threshold is reached. A higher voltage threshold may range from 1.0 to 2.0 V per cell. Alternatively, intervention may include extending the current phase of operation until a predetermined amount of charge has passed. The predetermined charge may range from 80% to 120% of the nominal electrode capacity. Intervention may further include supplying oxygen or air to the EDCS cathode to facilitate the oxygen reduction reaction. However, the supply of oxygen is not essential, since current may flow due to the hydrogen evolution reaction.

ＥＤＣＳの概略図が図１に示され、図中、一方の電極はカソードとしてラベルされ、他方の電極はアノードとしてラベルされている。電流は、電源からセルに供給される。水酸化物アニオンは、ニッケルオキシ水酸化物などの電荷貯蔵化合物の還元によってカソードで電気化学的に生成され、膜に輸送される。膜中で、水酸化物は、膜流動チャネルに供給される二酸化炭素含有ガス（好ましくは空気）からの二酸化炭素と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩は、アノードに輸送される。アノードでは、ニッケル水酸化物の酸化により水酸化物が消費されて、ｐＨが低下し、炭酸塩と重炭酸塩が分解して二酸化炭素を放出する。二酸化炭素生成物ガスは、アノードから流れ出る。サイクルの第１及び第２の段階の間、アノード及びカソードとなる電極は交互に入れ替わる。しかしながら、図１に示すようなセルの機構は、ラベルされたアノード及びカソードを使用して、両方の段階に適用される。 A schematic diagram of an EDCS is shown in FIG. 1, where one electrode is labeled as the cathode and the other as the anode. Current is supplied to the cell from a power supply. Hydroxide anions are electrochemically generated at the cathode by reduction of a charge storage compound such as nickel oxyhydroxide and transported to the membrane. In the membrane, the hydroxide reacts with carbon dioxide from the carbon dioxide-containing gas (preferably air) fed to the membrane flow channels. The resulting carbonates and bicarbonates are transported to the anode. At the anode, oxidation of the nickel hydroxide consumes the hydroxide, lowering the pH and breaking down the carbonate and bicarbonate to release carbon dioxide. A carbon dioxide product gas flows out of the anode. During the first and second stages of the cycle, the electrodes that are anode and cathode alternate. However, the cell setup as shown in FIG. 1 applies to both stages, using labeled anodes and cathodes.

ＥＤＣＳセルの正面断面図を図２に示す。セルは、第１の電極２０、膜３、及び第２の電極３０を備える。セルは、各電極に隣接する集電体プレート１０を更に備えることができる。膜は、アニオン交換ポリマと、二酸化炭素含有ガスが膜を通過できるようにする二酸化炭素含有ガス流動チャネル４と、を備える。任意選択的に、膜は、二酸化炭素含有ガス流動チャネル４に加えて細孔容積を備えて、二酸化炭素が膜の大部分を通ってより迅速に拡散することを可能にするように、多孔質であり得る。電源５１は、集電体プレートに電流を供給する。 A front sectional view of the EDCS cell is shown in FIG. The cell comprises a first electrode 20 , a membrane 3 and a second electrode 30 . The cell may further comprise current collector plates 10 adjacent each electrode. The membrane comprises an anion exchange polymer and carbon dioxide containing gas flow channels 4 that allow the carbon dioxide containing gas to pass through the membrane. Optionally, the membrane is porous so as to provide pore volume in addition to carbon dioxide-containing gas flow channels 4 to allow carbon dioxide to diffuse more rapidly through most of the membrane. can be A power supply 51 supplies current to the current collector plates.

ＥＤＣＳセルの上面断面概略図を図３に示す。セルは、第１の電極２０と流体連通する第１の二酸化炭素収集チャネル２１と、第２の電極３０と流体連通する第２の二酸化炭素収集チャネル３１と、を備える。これらの収集チャネル２１、３１は、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのものである。 A schematic top cross-sectional view of an EDCS cell is shown in FIG. The cell comprises a first carbon dioxide collection channel 21 in fluid communication with the first electrode 20 and a second carbon dioxide collection channel 31 in fluid communication with the second electrode 30 . These collection channels 21, 31 are for the outflow of carbon dioxide from the anode electrode.

ＥＤＣＳセルの好ましい実施形態の上面断面概略図を図４に示す。セルは、任意選択的に、電極と膜との間に挿入されたイオノマ層１１を備える。イオノマ層は、任意選択的に、電極、二酸化炭素収集チャネル、及び集電体プレートを包囲して、電極の周囲に気密封止を提供することができる。イオノマ層は、アニオン交換ポリマを含む。 A top cross-sectional schematic view of a preferred embodiment of an EDCS cell is shown in FIG. The cell optionally comprises an ionomer layer 11 interposed between the electrodes and the membrane. An ionomer layer can optionally surround the electrodes, carbon dioxide collection channels, and current collector plates to provide a hermetic seal around the electrodes. The ionomer layer contains an anion exchange polymer.

膜が多孔質である場合、イオノマ層の代わりに、アノードからの二酸化炭素のリークを防止することができる高密度アニオン交換ポリマ層を使用することができる。 If the membrane is porous, the ionomer layer can be replaced with a dense anion exchange polymer layer that can prevent carbon dioxide from leaking out of the anode.

繰り返しユニットの上部断面概略図が図５に示され、図中、ＥＤＣＳは、１つ以上の繰り返しユニット１のスタックを備える。各ユニット１は、バイポーラ電極アセンブリ２及び膜３を備える。ＥＤＣＳは、上述したように１つ以上のセルを備えるが、個々のセルからよりも、繰り返しユニット１からスタックを製造する方がより便利であり得る。 A top cross-sectional schematic view of a repeating unit is shown in FIG. 5, in which an EDCS comprises a stack of one or more repeating units 1 . Each unit 1 comprises a bipolar electrode assembly 2 and a membrane 3 . Although the EDCS comprises one or more cells as described above, it may be more convenient to manufacture stacks from repeating units 1 rather than from individual cells.

バイポーラ電極アセンブリ２は、１つのセルの第２の電極２０及び第２の二酸化炭素収集チャネル２１と、隣接セルの第１の電極３０及び第１の二酸化炭素収集チャネル３１と、を備える。隣接する２つの集電体は、単一のバイポーラプレート１０に置き換えられる。任意選択的に、バイポーラ電極アセンブリは、電極、バイポーラプレート、及び二酸化炭素流動チャネルの外側を包囲するイオノマ層１１を更に備えてもよい。 The bipolar electrode assembly 2 comprises a second electrode 20 and a second carbon dioxide collection channel 21 of one cell and a first electrode 30 and a first carbon dioxide collection channel 31 of an adjacent cell. Two adjacent current collectors are replaced by a single bipolar plate 10 . Optionally, the bipolar electrode assembly may further comprise an ionomer layer 11 surrounding the outside of the electrodes, bipolar plates and carbon dioxide flow channels.

第１及び第２の電極２０及び３０は、ニッケル水酸化物電触媒と、ガス輸送を可能にするのに十分な多孔性を有するアニオン交換ポリマと、を含むことができる。 The first and second electrodes 20 and 30 may comprise a nickel hydroxide electrocatalyst and an anion exchange polymer with sufficient porosity to allow gas transport.

第１及び第２の電極２０及び３０は、グラファイト、カーボンブラック、又は金属ニッケルなどの導電性添加剤を更に含むことができる。 The first and second electrodes 20 and 30 may further include conductive additives such as graphite, carbon black, or metallic nickel.

第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１は、バイポーラプレート１０から、各々プレートを丸めて隙間２２、３２を有するチャネルを作成し、第１及び第２の電極２０及び３０との流体連通を可能にすることによって形成され得る。 The first and second carbon dioxide flow channels 21,31 are formed from the bipolar plate 10, respectively, by rolling the plate to create channels with gaps 22,32 and in fluid communication with the first and second electrodes 20,30. can be formed by allowing

任意選択的に、バイポーラ電極２は、第１の電極２０、第１の二酸化炭素収集チャネル２１、第２の電極３０、及び第２の二酸化炭素収集チャネル３１と接触するイオノマエンベロープ１１を更に備える。イオノマエンベロープ１１は、第１の電極２０及び第２の電極３０を周囲環境から隔離するための気密封止を提供する。 Optionally, bipolar electrode 2 further comprises ionomer envelope 11 in contact with first electrode 20, first carbon dioxide collection channel 21, second electrode 30 and second carbon dioxide collection channel 31. . The ionomer envelope 11 provides a hermetic seal to isolate the first electrode 20 and the second electrode 30 from the surrounding environment.

バイポーラ電極２の正面断面図を図６に示す。バイポーラ電極２は、第２の電極３０の端部を封止するためのガスケット３３と、第１の電極２０の端部を封止するためのガスケット２３と、を備える。任意選択的に、イオノマエンベロープ１１は、バイポーラプレート１０と接触していてもよい。第１及び第２の電極２０、３０の封止されていない端部２６、３６は、各々第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１（図５）と流体連通している。 A front sectional view of the bipolar electrode 2 is shown in FIG. The bipolar electrode 2 includes a gasket 33 for sealing the edge of the second electrode 30 and a gasket 23 for sealing the edge of the first electrode 20 . Optionally, ionomer envelope 11 may be in contact with bipolar plate 10 . The unsealed ends 26, 36 of the first and second electrodes 20, 30 are in fluid communication with the first and second carbon dioxide flow channels 21, 31 (Fig. 5), respectively.

平面モジュールは、平面セルのスタックを備え、マニホールドは、活性領域の外側の境界領域に組み込まれ、各セルにガスを分配する。セルは、流動チャネルを組み込むバイポーラプレートによって分離され得るか、又はセルは、流動チャネルを提供するために使用される導電性メッシュ供給スペーサを有する平面バイポーラプレートによって分離され得る。前者を図７に示す。セルは、導電性バイポーラプレートによって直列に電気的に接続されている。平面構成が示されているが、ＥＤＣＳは、当該技術分野において既知のように、らせんスタックなどの他の構成で作製され得る。 A planar module comprises a stack of planar cells and a manifold is incorporated in the boundary area outside the active area to distribute gas to each cell. Cells can be separated by bipolar plates that incorporate flow channels, or cells can be separated by planar bipolar plates with conductive mesh feed spacers used to provide flow channels. The former is shown in FIG. The cells are electrically connected in series by conductive bipolar plates. Although a planar configuration is shown, EDCS can be fabricated in other configurations, such as spiral stacks, as is known in the art.

直列に電気的に接続された複数の繰り返しユニット１を備えるスタック４０の正面断面図を図７に示す。スタック４０は、スタック４０内に流体連通を提供するための第１のマニホールド２４及び第２のマニホールド３４を備える。あるいは、第１及び第２のマニホールド２４、３４の両方は、バイポーラ電極２の上部又は下部に位置することができる。任意選択的に、追加のマニホールドを追加して、各二酸化炭素流動チャネルのための入口マニホールド及び出口マニホールドの両方を作製することができる。各ユニット１の第１の二酸化炭素流動チャネル２１は、第１のマニホールド２４と流体連通している。各ユニット１の第２の二酸化炭素流動チャネル３１は、第２のマニホールド３４と流体連通している。 A front sectional view of a stack 40 comprising a plurality of repeating units 1 electrically connected in series is shown in FIG. Stack 40 includes first manifold 24 and second manifold 34 for providing fluid communication within stack 40 . Alternatively, both the first and second manifolds 24 , 34 can be located above or below the bipolar electrodes 2 . Optionally, additional manifolds can be added to create both inlet and outlet manifolds for each carbon dioxide flow channel. A first carbon dioxide flow channel 21 of each unit 1 is in fluid communication with a first manifold 24 . A second carbon dioxide flow channel 31 of each unit 1 is in fluid communication with a second manifold 34 .

図８では、スタック４０の上面断面図が示され、第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１は、垂直方向（紙の平面に垂直）に、二酸化炭素含有ガス流動チャネル４（図示せず）は、水平方向（紙の平面に平行）である。この配向が描かれているが、デバイスは任意の配向で構築又は使用することができる。 In FIG. 8, a top cross-sectional view of the stack 40 is shown with the first and second carbon dioxide flow channels 21, 31 extending vertically (perpendicular to the plane of the paper) to the carbon dioxide-containing gas flow channel 4 (not shown). ) is in the horizontal direction (parallel to the plane of the paper). Although this orientation is depicted, the device can be constructed or used in any orientation.

スタック４０の各バイポーラ電極２は、第２の電極３０及び第２の二酸化炭素流動チャネル３１（図示せず）の端部を封止して、第１のマニホールド２４との流体連通を防止するためのガスケット３３と、第１の電極２０及び第１の二酸化炭素流動チャネル２１（図示せず）の端部を封止して、第２のマニホールド３４との流体連通を防止するためのガスケット２３と、を備える。 Each bipolar electrode 2 of stack 40 seals the ends of second electrode 30 and second carbon dioxide flow channel 31 (not shown) to prevent fluid communication with first manifold 24 . gasket 33 for sealing the ends of the first electrode 20 and the first carbon dioxide flow channel 21 (not shown) to prevent fluid communication with the second manifold 34; , provided.

スタック４０において、繰り返しユニット１は、１つのバイポーラ電極２と、１つの膜３と、を備える。しかしながら、繰り返しユニットの境界は、単一のセルの境界と位置が一致していない。単一のセルは、１つの繰り返しユニット１の第２の電極３０及び膜３と、次の隣接繰り返しユニット１の第１の電極２０と、を備える。 In stack 40 , repeating unit 1 comprises one bipolar electrode 2 and one membrane 3 . However, the boundaries of repeat units are not aligned with the boundaries of single cells. A single cell comprises the second electrode 30 and membrane 3 of one repeating unit 1 and the first electrode 20 of the next adjacent repeating unit 1 .

図７に示されるスタックの右端には、最終セルを完了するために、端部電極４３が集電体４６に隣接して備えられる。スタック４０の左端にある第１の繰り返しユニット１のバイポーラ電極２も、端部電極４１と見なすことができる。端部電極４１、４３は、バイポーラ電極２と同じ又は類似した構造であってもよく、その場合、余分な電極及び余分な二酸化炭素流動チャネルが存在するが、スタック４０の動作では使用されない。 At the right end of the stack shown in Figure 7, an end electrode 43 is provided adjacent to the current collector 46 to complete the final cell. The bipolar electrode 2 of the first repeat unit 1 at the left end of the stack 40 can also be considered as the end electrode 41 . The end electrodes 41 , 43 may be of the same or similar construction as the bipolar electrodes 2 , in which case there are extra electrodes and extra carbon dioxide flow channels that are not used in stack 40 operation.

あるいは、端部電極４１、４３は、単一の電極、バイポーラプレート、及び単一の二酸化炭素流動チャネルのみで構成されてもよく、端部電極４１、４３のバイポーラプレート１０と集電体４５、４６との間に金属スペーサ４２、４４を備えてもよい。 Alternatively, the end electrodes 41,43 may consist of only a single electrode, a bipolar plate, and a single carbon dioxide flow channel, the bipolar plate 10 of the end electrodes 41,43 and the current collector 45, 46 may be provided with metal spacers 42 , 44 .

端部電極４１、４３は、スタックへの外部電気接続が成される集電体４５、４６に電気的に接続される。 The end electrodes 41, 43 are electrically connected to current collectors 45, 46 through which external electrical connections to the stack are made.

第１及び第２のマニホールド２４、３４は、二酸化炭素のスタック４０への逆流を防止するために逆止弁２５、３５を有する出口を有する。動作中、カソードとなる電極は、電極、二酸化炭素流動チャネル、及びマニホールドの細孔容積内のいかなる利用可能な二酸化炭素も消費することになるが、この二酸化炭素の量は制限される。逆止弁は、追加の二酸化炭素の流入を防ぎ、二酸化炭素が素早く消費されるようにする。また、逆止弁は、セル又はスタックのカソード側への空気の流入、セル又はスタックのカソード側からの（ＣＯ２が除去された）空気の流出、及びセル又はスタックのアノード側からの二酸化炭素の流出を制御する。 The first and second manifolds 24 , 34 have outlets with check valves 25 , 35 to prevent backflow of carbon dioxide into the stack 40 . During operation, the cathode electrode will consume any available carbon dioxide within the pore volume of the electrodes, carbon dioxide flow channels, and manifold, but the amount of this carbon dioxide is limited. The check valve prevents additional carbon dioxide from entering and allows the carbon dioxide to be quickly consumed. The check valves also allow the inflow of air to the cathode side of the cell or stack, the outflow of air (depleted of CO2 ) from the cathode side of the cell or stack, and the outflow of carbon dioxide from the anode side of the cell or stack. control the outflow of

ＥＤＣＳは、存在する場合、チャネル４を通る、及びカソード空隙容積を通る二酸化炭素含有ガスの循環を改善するファン５０を更に備えることができる。 The EDCS may further comprise a fan 50 to improve circulation of the carbon dioxide-containing gas through the channel 4 and through the cathode void volume, if present.

あるいは、膜は、流動チャネルを備えず、電極流動チャネルは、二酸化炭素含有ガス及び二酸化炭素生成物ガスの両方の流れに適合される。二酸化炭素含有ガスは、図１２に示すように、カソードとなる電極に配向される。二酸化炭素生成物ガスは、アノードとなる電極から収集される。水酸化物と二酸化炭素との反応は、膜内ではなくカソード内で起こる。 Alternatively, the membrane has no flow channels and the electrode flow channels are adapted for the flow of both the carbon dioxide containing gas and the carbon dioxide product gas. The carbon dioxide-containing gas is directed to the electrode, which will be the cathode, as shown in FIG. Carbon dioxide product gas is collected from the electrode, which serves as the anode. The reaction between hydroxide and carbon dioxide takes place in the cathode, not in the membrane.

ＥＤＣＳは、電極の外側にガス拡散層を備えることができる。ガス拡散層は、炭素紙等の当該技術分野において既知の任意の好適な材料を含むことができる。例えば、ガス拡散層は、５％及び１０％の防水性を有する東レ紙０６０、及び／又はＳｉｇｒａｃｅｔ２９ＢＣを含むことができる。 The EDCS can comprise gas diffusion layers on the outside of the electrodes. The gas diffusion layer can comprise any suitable material known in the art, such as carbon paper. For example, the gas diffusion layer can include Toray Paper 060 and/or Sigracet 29BC with 5% and 10% waterproofness.

２つの電極、膜又はイオノマ層で使用されるアニオン交換ポリマは、ポリ（アリールピペリジニウム）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレンブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、ポリエチレンイミン、ポリ（ジアリルアンモニウム）、ポリジアリルジメチルアンモニウム、又はそれらの組み合わせを含むことができる。ポリ（アリールピペリジニウム）又はポリジアリルジメチルアンモニウムが好ましい。 Anion exchange polymers used in the two electrodes, membranes or ionomer layers include poly(arylpiperidinium), alkylammonium-functionalized poly(arylalkylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(arylalkylene), alkyl ammonium-functionalized poly(styrene), substituted-imidazolium-functionalized poly(styrene), alkylammonium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), substituted-imidazolium-functionalized poly(styrene-co-divinyl benzene), alkylammonium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), substituted-imidazolium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), alkylammonium -functionalized poly(ethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene), alkylammonium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(tetrafluoroethylene), alkylammonium-functionalized modified poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), polyethylenimine, poly(diallylammonium), polydiallyldimethylammonium, or combinations thereof be able to. Poly(arylpiperidinium) or polydiallyldimethylammonium are preferred.

２つの電極中のアニオン交換ポリマは、好ましくは同じである。 The anion exchange polymers in the two electrodes are preferably the same.

イオノマは、水酸化物伝導ネットワークを提供する。全ての実験は、ＰＡＰ膜及びイオノマを使用した。ＰＡＰ膜及びイオノマは、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第１０，２９０，８９０号、米国出願第１６／６５１，６２２号、及びＰＣＴ公開第ＷＯ２０１９／０６８０５１号に記載されている。好ましいイオノマは、ＰＡＰ－ＴＰ－８５である。 Ionomers provide a hydroxide conducting network. All experiments used PAP membranes and ionomers. PAP membranes and ionomers are described in U.S. Patent No. 10,290,890, U.S. Application No. 16/651,622, and PCT Publication No. WO2019/068051, which are incorporated herein by reference in their entirety. ing. A preferred ionomer is PAP-TP-85.

膜中のアニオン交換ポリマは、電極中のアニオン交換ポリマ又はイオノマ層中のアニオン交換ポリマとは異なり得る。これらの成分中のアニオン交換ポリマは、同じであり得、一部は同じであり得、又は全てが異なり得る。 The anion exchange polymer in the membrane can be different from the anion exchange polymer in the electrode or the anion exchange polymer in the ionomer layer. The anion exchange polymers in these components can be the same, some can be the same, or all can be different.

ＥＤＣＳの電池電極反応は、サイクル動作を必要とし、電流は周期的に逆転して、どの電極がカソードであり、水酸化物を生成し、どの電極がアノードであり、二酸化炭素を濃縮するかを交互に入れ替える。 The EDCS cell electrode reactions require cycling, where the current is periodically reversed to determine which electrode is the cathode and produces hydroxide and which is the anode and concentrates carbon dioxide. alternate with each other.

電流は、電源によってＥＤＣＳに供給される。電源は、その出力電流を直接逆転させることができ、又はデュアルポールデュアルスロースイッチ／リレーを使用して、ＥＤＣＳの端子と電源の端子との間の接続を逆転させることができる。 Current is supplied to the EDCS by a power supply. The power supply can directly reverse its output current, or a dual pole dual throw switch/relay can be used to reverse the connection between the terminals of the EDCS and the terminals of the power supply.

典型的なバイポーラプレートは、ステンレス鋼の薄いシートである。一方側はアノードに電気的に接続され、他方側は隣接するセルのカソードに電気的に接続されている。 A typical bipolar plate is a thin sheet of stainless steel. One side is electrically connected to the anode and the other side is electrically connected to the cathode of the adjacent cell.

電極は、当該技術分野において既知の方法によって調製することができる。電極は、本明細書に記載される電荷貯蔵化合物及びアニオン交換ポリマを含有するインクから調製することができ、インクは、その時、セルの隣接部品にスプレー又は流延される。あるいは、電荷貯蔵化合物は、基材上に電着され、次いでアニオン交換ポリマで被覆され得る。例えば、Ｎｉ（ＯＨ）２電極は、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）溶液から３電極セルを使用して基板上に電着し、続いて水酸化カリウム溶液中でプリサイクリングしてＮｉＯ（ＯＨ）を生成することによって調製され得る。次いで、ＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）２電極は、溶液由来のアニオン交換ポリマで浸漬被覆される。 Electrodes can be prepared by methods known in the art. Electrodes can be prepared from inks containing the charge storage compounds and anion exchange polymers described herein, which are then sprayed or cast onto adjacent parts of the cell. Alternatively, the charge storage compound can be electrodeposited onto the substrate and then coated with the anion exchange polymer. For example, Ni(OH) 2 electrodes were electrodeposited on a substrate from a nickel chloride ( NiCl2 ) solution using a three-electrode cell, followed by precycling in potassium hydroxide solution to produce NiO(OH). can be prepared by The NiO(OH)/Ni(OH) 2 electrode is then dip coated with a solution-derived anion exchange polymer.

ＥＤＣＳセル又はＥＤＣＳスタックは、当該技術分野で周知の標準的な方法論を使用して構築することができる。 An EDCS cell or EDCS stack can be constructed using standard methodologies well known in the art.

本明細書に記載のＥＤＣＳは、従来のエネルギ源及び長いサイクル寿命と比較して、最小限のエネルギコストでＣＯ２を効率的に除去する低コストの電気化学セルを提供する。得られたＣＯ２は、化学合成に使用することができる。二酸化炭素ガスが除去された空気は、空気取り入れ口を使用して、金属空気電池又は他のデバイス又はプロセスに供給することができる。 The EDCS described herein provides a low-cost electrochemical cell that efficiently removes CO2 with minimal energy costs compared to conventional energy sources and long cycle life. The CO2 obtained can be used for chemical synthesis. Air stripped of carbon dioxide gas can be supplied to a metal-air battery or other device or process using an air intake.

本明細書に記載されるＥＤＣＳは、金属空気電池に供給される二酸化炭素含有ガスを、約２０ｐｐｍ、１８ｐｐｍ、１６ｐｐｍ、１５ｐｐｍ、１２ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、８ｐｐｍ、６ｐｐｍ、５ｐｐｍ、４ｐｐｍ、３ｐｐｍ、又は２ｐｐｍ未満を含有させることができ、これらの低減されたレベルは、ＣＯ２とＥＤＣＳのカソードにおける水酸化物イオンとの反応によって達成される。 The EDCS described herein reduces the carbon dioxide-containing gas supplied to the metal-air battery to less than about 20 ppm, 18 ppm, 16 ppm, 15 ppm, 12 ppm, 10 ppm, 8 ppm, 6 ppm, 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, or 2 ppm. These reduced levels are achieved by the reaction of CO2 with hydroxide ions at the EDCS cathode.

発電所で生成されるような煙道ガスが二酸化炭素含有ガスである場合、煙道ガスは、ＣＯ２の除去後に大気中に放出されるか、又は放出される前に他の汚染物質を除去するように更に処理され得る。 If the flue gas, such as that produced in power plants, is a carbon dioxide-containing gas, the flue gas may be released into the atmosphere after removal of the CO2 , or may be stripped of other pollutants before being released. can be further processed to

ＥＤＣＳは、化石燃料、工業プロセス、土地利用などの炭素排出技術の効果を相殺するために使用され得るカーボンネガティブ排出、直接空気回収技術であり、目標は、気候変動を最小限に抑えるために正味のゼロＣＯ２排出を達成することを目指す。 EDCS is a carbon-negative emission, direct air capture technology that can be used to offset the effects of carbon-emitting technologies such as fossil fuels, industrial processes and land use, with the goal of reducing net emissions to minimize climate change. of zero CO2 emissions.

ＥＤＣＳは、一部のカーボンネガティブ技術で必要とされるように、液体又は固体の取り扱いを伴わない、又は高温焼成を必要としない。 EDCS does not involve the handling of liquids or solids, or require high temperature firing, as is required with some carbon negative technologies.

ここで開示される発明は、ＤＡＣの用途によって説明されるが、他の用途も可能である。これらの用途として、例えば、建物内又は建物内に入ってくる空気からＣＯ２の除去、より高い再循環率を可能にすることによるＨＶＡＣエネルギ消費量の節約、ＣＯ２有人宇宙船の除去、及び植物の成長を助けるために周囲の空気からＣＯ２を温室又は他の構造物にポンプで送り込むことなどが挙げられる。 Although the invention disclosed herein is described in terms of DAC applications, other applications are possible. These applications include, for example, removing CO2 from the air in or entering the building, saving HVAC energy consumption by enabling higher recirculation rates, removing CO2 in manned spacecraft, and Such as pumping CO2 from the ambient air into a greenhouse or other structure to aid plant growth.

定義
「バイポーラプレート」は、１つのセルのカソードと隣接するセルのアノードとの間の電気的接続を提供する。 DEFINITIONS A "bipolar plate" provides an electrical connection between the cathode of one cell and the anode of an adjacent cell.

「ｓｌｐｍ」は、０℃及び１気圧の標準条件で１リットル／分に相当するガス流量の単位である。 "slpm" is a unit of gas flow rate equivalent to 1 liter/minute at standard conditions of 0°C and 1 atmosphere.

本発明を詳細に説明した後、修正及び変形は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが明らかであろう。 After the invention has been described in detail, it will be apparent that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention defined in the appended claims.

以下の非限定的な実施例は、本発明を更に例示するために提供される。 The following non-limiting examples are provided to further illustrate the invention.

実施例１電極の調製
Ｎｉ（ＯＨ）２電極を、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）溶液から３電極セルを使用してニッケル泡基板上に電着することによって作製した。より具体的には、電極を、約５センチメートル×５センチメートルの寸法のニッケル泡上に、０．１ＭのＮｉＣｌ２溶液中１０ｍＡ／ｃｍ２電流密度で３０分間電着し、続いて０．１ＭのＫＯＨ溶液中でプリサイクリングして、ＮｉＯ（ＯＨ）を生成した。ＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）２電極を、エタノール溶媒中で５重量％溶液からのポリ（アリールピペリジニウム）イオノマで浸漬被覆した。 Example 1 Preparation of Electrodes Ni(OH) 2 electrodes were prepared from nickel chloride (NiCl 2 ) solutions by electrodeposition onto nickel foam substrates using a 3-electrode cell. More specifically, the electrodes were electrodeposited onto nickel bubbles measuring approximately 5 centimeters by 5 centimeters at a current density of 10 mA/cm 2 in a 0.1 M NiCl 2 solution for 30 minutes, followed by a 0.5 centimeter. NiO(OH) was produced by precycling in 1M KOH solution. NiO(OH)/Ni(OH) 2 electrodes were dip coated with poly(arylpiperidinium) ionomers from a 5 wt% solution in ethanol solvent.

実施例２ＥＤＣＳの調製
ポリ（アリールピペリジニウム）膜及び２つのＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）２電極を使用して、完全なＥＤＣＳセルを構築した。セルを、トリプルサーペンタインフローフィールドを有する２５ｃｍ２単一セル燃料電池フィクスチャに組み立てた。５センチメートル×５センチメートルの開口部を有するガスケットをアノードフローフィールド上に置いた。次に、アノードフローフィールドの開口部に５センチメートル×５センチメートルの炭素紙ガス拡散層を配置した。第１のＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）２電極をガス拡散層上に置いた。７．５センチメートル×７．５センチメートルの膜を電極とガスケットの上に配置した。５センチメートル×５センチメートルの開口部を有する第２のガスケットを膜上に配置し、第２の電極を膜と接触させて開口部の内側に配置した。第２の電極上に第２の５センチメートル×５センチメートルの炭素紙ガス拡散層を置いた。最後に、カソードフローフィールドを配置し、セルを閉じた。 Example 2 Preparation of EDCS A complete EDCS cell was constructed using a poly(arylpiperidinium) membrane and two NiO(OH)/Ni(OH) 2 electrodes. The cells were assembled into a 25 cm2 single cell fuel cell fixture with a triple serpentine flow field. A gasket with a 5 cm x 5 cm opening was placed over the anode flow field. A 5 centimeter by 5 centimeter carbon paper gas diffusion layer was then placed in the opening of the anode flow field. A first NiO(OH)/Ni(OH) 2 electrode was placed on the gas diffusion layer. A 7.5 cm by 7.5 cm membrane was placed over the electrode and gasket. A second gasket with a 5 cm by 5 cm opening was placed over the membrane and a second electrode was placed inside the opening in contact with the membrane. A second 5 cm by 5 cm carbon paper gas diffusion layer was placed on the second electrode. Finally, the cathode flow field was placed and the cell closed.

実施例３ＥＤＣＳの動作及び性能
セルを、４４０ｐｐｍのＣＯ２を含有する０．５ｓｌｐｍの空気によって供給され、５７．７℃の露点まで加湿されたアノードとカソードの両方を用いて６０℃で動作させた。アノード及びカソード出口の両方を濃縮器に通して水を除去し、ＣＯ２分析器に向けてＣＯ２の含有量を測定した。セルをポテンショスタットに接続してセル電圧を制御し、電流を測定した。セルを以下の一連の電圧保持ステップで実行した。すなわち、１２００秒間－０．８Ｖ、６００秒間－０．３Ｖ、９７０秒間０．３Ｖ、１８００秒間－０．３Ｖ、１３５０秒間０．３Ｖである。 Example 3 EDCS Operation and Performance The cell was operated at 60°C with both the anode and cathode supplied by 0.5 slpm air containing 440 ppm CO2 and humidified to a dew point of 57.7°C. . Both the anode and cathode outlets were passed through concentrators to remove water and directed to a CO2 analyzer to measure the CO2 content. The cell was connected to a potentiostat to control the cell voltage and measure the current. The cell was run with the following series of voltage holding steps. That is, -0.8 V for 1200 seconds, -0.3 V for 600 seconds, 0.3 V for 970 seconds, -0.3 V for 1800 seconds, and 0.3 V for 1350 seconds.

電流、電圧、アノード及びカソード出口流中のＣＯ２濃度、セルを通過したＣＯ２輸送の計算流量、輸送したＣＯ２の分子当たりに通過した電子の計算比率を含む結果を図９に示す。ＣＯ２は、印加電圧の極性に応じて、両方向に輸送されることが示された。輸送されるＣＯ２分子に渡される電子の比率は、典型的には１～２の範囲であり、ＥＤＣＳのカソード内での水酸化物の炭素及び重炭酸塩へのほぼ完全な変換を示す。 The results are shown in FIG. 9, including the current, voltage, CO2 concentration in the anode and cathode outlet streams, the calculated flux of CO2 transport through the cell, and the calculated ratio of electrons passed per molecule of CO2 transported. CO2 was shown to be transported in both directions, depending on the polarity of the applied voltage. The ratio of electrons given to transported CO2 molecules is typically in the range of 1-2, indicating nearly complete conversion of hydroxide to carbon and bicarbonate within the EDCS cathode.

図１０では、ＣＯ２フラックスが示され、各電圧保持ステップにわたって平均化され、セル面積によって正規化され、年ベースに変換される。－０．８Ｖでの保持は、より高いエネルギ消費量にもかかわらず、＋／－０．３Ｖでの保持よりも有意に実行されなかった。＋／－０．３Ｖでの保持の平均では、ＣＯ２フラックスは１９ｋｇ／ｍ２年であった。 In Fig. 10 CO2 fluxes are shown, averaged over each voltage holding step, normalized by cell area and converted to yearly basis. Holding at −0.8V performed less significantly than holding at +/-0.3V, despite the higher energy consumption. Averaged at +/−0.3 V retention, the CO 2 flux was 19 kg/m 2 years.

図１１において、単一セルのエネルギ消費量が、輸送されたＣＯ２１トン当たりで計算された。＋／－０．３Ｖホールドで平均すると、電気化学電池（補助機器を除く）単体のエネルギ消費量は０．６ＭＷｈ／トンであった。 In Figure 11, the energy consumption of a single cell was calculated per tonne of CO2 transported. Averaged at +/−0.3 V hold, the energy consumption of the electrochemical cell alone (excluding auxiliaries) was 0.6 MWh/ton.

本発明の要素又はその好ましい実施形態を紹介する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」及び「ｓａｉｄ」は、１つ以上の要素が存在することを意味することが意図される。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であることが意図され、列挙される要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。 When introducing elements of the invention or preferred embodiments thereof, the articles "a," "an," "the," and "said" are intended to mean the presence of one or more elements. The terms "comprising," "including," and "having" are intended to be inclusive and mean that there may be additional elements other than the listed elements.

以上のことから、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が達成されることが分かるであろう。 From the foregoing, it will be seen that the several objects of the invention are achieved and other advantageous results attained.

上記のデバイス及び方法において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができるため、上記の説明に含まれ、添付の図面に示される全ての主題は、例示的であると解釈され、限定的な意味で解釈されないものとする。
As various changes can be made in the above-described devices and methods without departing from the scope of the invention, all subject matter contained in the above description and shown in the accompanying drawings is to be considered illustrative. and shall not be construed in a limiting sense.

Claims (38)

1.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)であって：
？細胞であって、前記細胞が：
？アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、前記2つの電極は、電荷蓄積化合物およびアニオン交換ポリマーを含み、前記電荷蓄積化合物は、前記カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、前記アノードとして作用するときに水酸化物を消費するように反応することができる；
？該2つの電極に隣接して該2つの電極を分離する膜であって、該膜がアニオン交換ポリマーを含む、膜；
？該膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネル；
？二酸化炭素の流出のために適合され、前記アノードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネルと；
？二酸化炭素の流出のために適合され、前記カソードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネル；
？請求項1に記載の方法であって、前記細胞は、動作中に適合されるように適合されており；
？カソードとなる電極で生成された水酸化物が膜中に輸送される；
？前記二酸化炭素含有ガスは前記膜に接触し、前記二酸化炭素は前記水酸化物イオンと反応して重炭酸イオン、炭酸イオン、又は重炭酸塩及び炭酸イオンを形成し；
？重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩および炭酸イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送される；
？炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、炭酸水素イオンがアノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成することを特徴とする二酸化炭素の製造方法
？前記二酸化炭素は、前記アノードとなる前記電極の二酸化炭素の流出に適合したチャネルを介して前記EDCSから放出されることを特徴とする方法 1.? An electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) for separating carbon dioxide from a carbon dioxide containing gas comprising:
? A cell, said cell:
? Two electrodes capable of acting as an anode or a cathode, said two electrodes comprising a charge storage compound and an anion exchange polymer, said charge storage compound forming a hydroxide when acting as said cathode and react to consume hydroxide when acting as said anode;
? a membrane adjacent to and separating the two electrodes, the membrane comprising an anion exchange polymer;
? a channel adapted to allow a carbon dioxide-containing gas to flow into said membrane;
? a channel adapted for the efflux of carbon dioxide and defining an opening in contact with said electrode serving as said anode;
? a channel adapted for the outflow of carbon dioxide and defining an opening in contact with the electrode serving as the cathode;
? 2. The method of claim 1, wherein the cells are adapted to be adapted during operation;
? Hydroxide produced at the cathode electrode is transported into the membrane;
? the carbon dioxide-containing gas contacts the membrane, the carbon dioxide reacting with the hydroxide ions to form bicarbonate ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions;
? bicarbonate ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions are transported through the membrane to the electrode that becomes the anode;
? A process for the production of carbon dioxide, characterized in that bicarbonate ions, carbonate ions, bicarbonate ions, bicarbonate ions react at an electrode acting as an anode to form carbon dioxide and water? The carbon dioxide is released from the EDCS through a channel adapted for carbon dioxide outflow of the electrode serving as the anode. 2.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)であって、前記EDCSが；
？細胞であって、前記細胞が：
？アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、前記2つの電極は、任意に部分的に酸化された状態で水酸化ニッケルを含み、アニオン交換ポリマーを含み、前記水酸化ニッケルは、前記カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、前記アノードとして作用するときに水酸化物を消費するように反応することができる；
？該2つの電極に隣接して該2つの電極を分離する膜であって、該膜がアニオン交換ポリマーを含む、膜；
？二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入のために適合され、前記アノードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネルと；
？二酸化炭素を流出させるか、または二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合され、前記カソードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネル；
？請求項1に記載の方法であって、前記細胞は、操作：
？水酸化物が、前記カソードとなる電極で生成される、請求項1に記載の方法
？前記二酸化炭素含有ガスは、前記カソードとなる電極に接触し、前記二酸化炭素は、前記水酸化物イオンと反応して、重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩と炭酸イオンとを形成し；
？炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンが膜を介して陽極となる電極に輸送されることを特徴とする電解質膜の製造方法
？炭酸水素イオン、炭酸イオン又は炭酸水素塩及び炭酸イオンは、アノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成し、 2.? An electrochemically driven carbon dioxide separator (EDCS) for separating carbon dioxide from a carbon dioxide containing gas, said EDCS;
? A cell, said cell:
? Two electrodes capable of acting as an anode or a cathode, said two electrodes comprising nickel hydroxide, optionally in a partially oxidized state, comprising an anion exchange polymer, said nickel hydroxide comprising: capable of reacting to form hydroxide when acting as the cathode and to consume hydroxide when acting as the anode;
? a membrane adjacent to and separating the two electrodes, the membrane comprising an anion exchange polymer;
? a channel adapted for outflow of carbon dioxide or inflow of a carbon dioxide-containing gas and defining an opening in contact with said electrode serving as said anode;
? a channel adapted for outflow of carbon dioxide or inflow of a carbon dioxide-containing gas and defining an opening in contact with said electrode serving as said cathode;
? 3. The method of claim 1, wherein the cell is manipulated by:
? 2. The method of claim 1, wherein hydroxide is produced at the cathode electrode. the carbon dioxide-containing gas contacts the cathode electrode, and the carbon dioxide reacts with the hydroxide ions to form bicarbonate ions, carbonate ions, or bicarbonate and carbonate ions;
? What is claimed is: 1. A method for producing an electrolyte membrane, characterized in that hydrogen carbonate ions, carbonate ions, hydrogen carbonate, and carbonate ions are transported through the membrane to an electrode serving as an anode. bicarbonate ions, carbonate ions or bicarbonate and carbonate ions react to form carbon dioxide and water at the electrode acting as the anode; 3.？前記EDCSは、前記電極に電流を供給するための電源をさらに含み、前記電源は、電流の流れの方向を交互に逆にするように適合されており、それによって、各電極が、アノードおよびカソードとして、順番に作用することを可能にする、請求項1または2に記載のEDCS 3.? The EDCS further includes a power supply for supplying current to the electrodes, the power supply adapted to alternately reverse the direction of current flow, whereby each electrode is an anode and a cathode. EDCS according to claim 1 or 2, allowing to act sequentially as 4.？前記EDCSは、前記電極に電流を供給するための電源と、前記電源および前記電極に結合された電気スイッチと、をさらに備え、前記電気スイッチは、電流の流れの方向を交互に反転させるように構成され、それによって、各電極が、アノードとして、およびカソードとして機能するように構成されている、請求項1または2に記載のEDCS Four.? The EDCS further comprises a power source for supplying current to the electrodes, and an electrical switch coupled to the power source and the electrodes, wherein the electrical switch alternately reverses the direction of current flow. 3. The EDCS of claim 1 or 2, wherein each electrode is configured to function as an anode and as a cathode. 5.？EDCSが、各電極に隣接する集電体をさらに含む、請求項1-4のいずれか1項に記載のEDCS Five.? 5. The EDCS of any one of claims 1-4, wherein the EDCS further comprises a current collector adjacent each electrode. 6.？前記電荷蓄積化合物が、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属酸化物、又は水素吸蔵合金を含む、請求項1-5のいずれか一項に記載のEDCS 6.? 6. The EDCS of any one of claims 1-5, wherein the charge storage compound comprises a metal hydroxide, metal oxyhydroxide, metal oxide, or hydrogen storage alloy. 7.？前記電荷蓄積化合物が、水酸化ニッケル、二酸化マンガン、部分充電状態の水酸化ニッケル、又はランタンニッケル水素化物を含む、請求項6に記載のEDCS 7.? 7. The EDCS of claim 6, wherein the charge storage compound comprises nickel hydroxide, manganese dioxide, partially charged nickel hydroxide, or lanthanum nickel hydride. 8.？前記EDCSが、前記2つの電極の各々の端部に沿って前記集電体に延在する2つの電極のそれぞれと前記膜との間にアイオノマー層をさらに含み、前記アイオノマー層が、前記アノードとなる前記電極内の前記アノードとなる前記電極から放出される二酸化炭素を封止するように適合され、前記電極からの二酸化炭素の流出のための前記チャネルが、前記アノードとして機能する、請求項1-7のいずれか1項に記載のEDCS 8.? The EDCS further comprises an ionomer layer between each of the two electrodes extending to the current collector along an edge of each of the two electrodes and the membrane, wherein the ionomer layer is connected to the anode. 1. adapted to seal carbon dioxide released from said electrode serving as said anode in said electrode, said channel for outflow of carbon dioxide from said electrode serving as said anode; EDCS described in any one of -7 9.？前記アイオノマー層がアニオン交換ポリマーを含む、請求項8に記載のEDCS 9.? 9. The EDCS of claim 8, wherein said ionomer layer comprises an anion exchange polymer. 10.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記アイオノマー層の膜および/またはアニオン交換膜のアニオン交換ポリマーは、独立して、第4級アンモニウムまたはイミダゾリウム基と、エーテル基を有さないポリマー骨格とを含む、EDCS Ten.? 10. The EDCS according to any one of claims 1-9, wherein the anion-exchange polymer of the two electrodes, the membrane of the ionomer layer and/or the anion-exchange membrane of the anion-exchange membrane independently comprises a fourth EDCS containing ammonium or imidazolium groups and a polymer backbone without ether groups 11.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記膜のアニオン交換ポリマーおよび/または前記アイオノマー層の前記アニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(aryiアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)？アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-co-ジビニルベンゼン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキニルアンモニウム-官能化ポリ(エチレン)、置換-イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)？置換-イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフィロエチレン)、アルキニルアンモニウム-官能化ポリ(エチレン-co-テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせ、 11.? 10. The EDCS according to any one of claims 1-9, wherein the anion exchange polymer of the two electrodes, the anion exchange polymer of the membrane and/or the anion exchange membrane of the ionomer layer are independently: Poly(arylpiperidinium), alkynylammonium-functionalized poly(aryialkylene), substituted imidazolium-functionalized poly(arylalkylene), alkynylammonium-functionalized poly(styrene), substituted imidazolium-functionalized poly(styrene)? alkylammonium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), substituted imidazolium-functionalized poly(styrene-co-divinylbenzene), alkynylammonium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), Substituted imidazolium-functionalized poly(styrene-block-ethylene-co-butadiene-block-styrene), alkynylammonium-functionalized poly(ethylene), substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene), alkynylammonium-functionalized poly(tetra fluoroethylene)? Substituted-imidazolium-functionalized poly(tetraphylloethylene), Alkynylammonium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), Substituted-imidazolium-functionalized poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene), Polyethylenimine, Poly( diallyl ammonium), polydiallyldimethylammonium, or combinations thereof, 12.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記膜のアニオン交換ポリマー、および/または前記アイオノマー層の前記アニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、 12.? 10. The EDCS of any one of claims 1-9, wherein the anion exchange polymer of the two electrodes, the anion exchange polymer of the membrane, and/or the anion exchange membrane of the ionomer layer are independently , poly(arylpiperidinium), 13.？前記アイオノマー層の前記アニオン交換ポリマーが、poSyジアリルジメチルSアンモニウムを含む、請求項11に記載のEDCS 13.? 12. The EDCS of claim 11, wherein said anion exchange polymer of said ionomer layer comprises poSy diallyldimethylS ammonium. 14.？膜が、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを含む、請求項1-13のいずれか一項に記載のEDCS 14.? 14. The EDCS of any one of claims 1-13, wherein the membrane comprises a plurality of channels for the flow of carbon dioxide-containing gas within the membrane. 15.？前記膜が、前記膜を通る前記二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を含む、請求項1-14のいずれか一項に記載のEDCS 15.? 15. The EDCS of any one of claims 1-14, wherein the membrane comprises void volume for diffusion of the carbon dioxide-containing gas through the membrane. 16.？請求項1-15のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記セルは、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のために、前記電極内で生成された二酸化炭素を前記EDCSから前記チャネルを通して放出するように構成された逆止弁をさらに備える、EDCS 16.? 16. The EDCS according to any one of claims 1-15, wherein the cell extracts carbon dioxide produced in the electrode from the EDCS for efflux of carbon dioxide from the electrode serving as the anode. The EDCS further comprising a check valve configured to discharge through the channel 17.？EDCSが、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるためにチャネルを通して二酸化炭素含有ガスを送風するためのファンをさらに含む、請求項14-16のいずれか一項に記載のEDCS 17.? 17. The EDCS of any one of claims 14-16, wherein the EDCS further comprises a fan for blowing the carbon dioxide containing gas through the channel to force the carbon dioxide containing gas into the membrane. 18.？前記二酸化炭素含有ガスが空気である、請求項1-17のいずれか一項に記載のEDCS 18.? 18. The EDCS of any one of claims 1-17, wherein the carbon dioxide-containing gas is air. 19.？請求項1-18のいずれか1項に記載のEDCSであって、電気的に直列に接続された1つ以上の追加のセルからなるスタックと、前記アノードとなる前記電極の各々から二酸化炭素を流出させるように適合されたマニホールドと、をさらに備える、EDCS 19.? 19. The EDCS according to any one of claims 1-18, wherein a stack of one or more additional cells electrically connected in series and supplying carbon dioxide from each of said electrodes serving as said anodes. the EDCS further comprising a manifold adapted to drain; 20.？前記アイオノマー層が、二酸化炭素の流出のために前記2つの電極および前記チャネルのそれぞれを取り囲む、請求項19に記載のEDCS 20.? 20. The EDCS of claim 19, wherein the ionomer layer surrounds each of the two electrodes and the channel for carbon dioxide efflux. 21.？請求項5-20のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記集電体は、2つの集電板の代わりに各セル間に双極板を備え、前記スタックの各端部に集電板を備える、EDCS twenty one.? 21. The EDCS of any one of claims 5-20, wherein the current collector comprises a bipolar plate between each cell instead of two current collector plates, and a current collector at each end of the stack. with board, EDCS 22？前記双極板が、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成されている、請求項21に記載のEDCS twenty two? 22. The EDCS of claim 21, wherein the bipolar plate is configured to provide channels for outflow of carbon dioxide. 23.？請求項22に記載のEDCSであって、前記二酸化炭素の流出のための前記チャネルは、前記CO2含有空気の膜内のチャネルに対して垂直であり、 twenty three.? 23. The EDCS of claim 22, wherein the channels for the outflow of the carbon dioxide are perpendicular to the channels in the membrane of the CO2-containing air, 24,？二酸化炭素含有ガスが空気であり、空気をEDCSに供給して二酸化炭素濃度を低下させた後、二酸化炭素濃度が低減された空気を金属空気電池のカソード入口に向ける、請求項1-23のいずれか1項に記載の金属空気電池とEDCSとを備える電池システム twenty four,? 24. Any of claims 1-23, wherein the carbon dioxide-containing gas is air, and after the air is supplied to the EDCS to reduce the carbon dioxide concentration, the carbon dioxide-depleted air is directed to the cathode inlet of the metal-air cell. 1. A battery system comprising the metal-air battery according to 1 above and an EDCS 25.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法であって、請求項1-23のいずれか1項に記載のEDCSに二酸化炭素含有ガスを供給し、EDCSを介して電流を駆動することを特徴とする方法 twenty five.? A method for separating carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas, characterized by supplying the carbon dioxide-containing gas to the EDCS of any one of claims 1-23 and driving an electric current through the EDCS. how to 26.？前記二酸化炭素含有ガスが煙道ガスである、請求項25に記載の方法 26.? 26. The method of claim 25, wherein the carbon dioxide-containing gas is flue gas. 27.？前記二酸化炭素含有ガスが空気である、請求項25に記載の方法 27.? 26. The method of claim 25, wherein said carbon dioxide containing gas is air. 28.？請求項25-27のいずれか1項に記載の方法であって、前記2つの電極の一方が前記アノードとなり、他方が前記カソードとなる第1相と、前記2つの電極の一方が前記カソードとなり、他方が前記アノードとなるように電流を駆動する第2相とで前記電流を駆動することを特徴とする請求項25-27のいずれか1項に記載の方法 28.? 28. The method of any one of claims 25-27, comprising a first phase wherein one of the two electrodes is the anode and the other is the cathode, and one of the two electrodes is the cathode. 28. A method according to any one of claims 25-27, characterized by driving the current with a second phase driving the current so that the other is the anode. 29.？請求項28に記載の方法であって、前記EDCSの電圧を一定の電流で監視し、前記第1の相および前記第2の相の各々が、前記アノード中の水酸化ニッケルのほとんどまたはすべてをオキシ水酸化ニッケルに変換し、前記カソード中のオキシ水酸化ニッケルの大部分または全部を、前記細胞または細胞の極性が反転する前に水酸化ニッケルに変換することを特徴とする方法 29.? 29. The method of claim 28, wherein the voltage of the EDCS is monitored at a constant current and each of the first and second phases displaces most or all of the nickel hydroxide in the anode. converting a majority or all of the nickel oxyhydroxide in the cathode to nickel oxyhydroxide prior to reversing polarity of the cell or cells. 30.？前記EDCSの電圧が細胞当たり約0。5-約1。0Vの範囲にあるとき、前記細胞または細胞の極性が反転される、請求項29に記載の方法 30.? 30. The method of claim 29, wherein the cell or cells are reversed in polarity when the EDCS voltage is in the range of about 0.5 to about 1.0 V per cell. 31.？請求項25-30のいずれか1項に記載の方法であって、さらに、合計水酸化ニッケルに対するオキシ水酸化ニッケルと、前記2つの電極のためのオキシ水酸化ニッケルとの比を監視することをさらに含み、前記2つの電極を組み合わせたとき、100は充電(SOC)の細胞平均状態を示し、前記比が所望の値に達したときに介入をトリガすることを特徴とする方法
？閾値が0。5未満であるか、または、前記細胞平均SOCが50%未満の所望の閾値に達することを特徴とする方法 31.? 31. The method of any one of claims 25-30, further comprising monitoring the ratio of nickel oxyhydroxide to total nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide for the two electrodes. A method further comprising: 100 indicating a cellular average state of charge (SOC) when said two electrodes are combined, and triggering an intervention when said ratio reaches a desired value? the threshold is less than 0.5, or the cell-average SOC reaches a desired threshold of less than 50%. 32.？前記第1の相および前記第2の相のそれぞれを通過した総電荷を監視すること、および前記第1の相および前記第2の相のうちの1つを通過した前記総電荷が公称電極容量の所定の割合を下回るときに介入をトリガすることをさらに含む、請求項29または30に記載の方法 32.? monitoring the total charge passed through each of said first phase and said second phase, and said total charge passed through one of said first phase and said second phase being equal to a nominal electrode capacitance; 31. The method of claim 29 or 30, further comprising triggering an intervention when below a predetermined percentage of 33.？前記介入が、より高い電圧閾値に達するまで前記動作の位相を延長することを含む、請求項31又は32に記載の方法 33.? 33. The method of claim 31 or 32, wherein said intervention comprises extending said phase of operation until a higher voltage threshold is reached. 34.？前記より高い電圧閾値が、細胞当たり約1。0-約2。0Vの範囲にある、請求項33に記載の方法 34.? 34. The method of claim 33, wherein said higher voltage threshold ranges from about 1.0 to about 2.0 V per cell. 35.？前記介入が、所定量の電荷が通過するまで前記動作の位相を延長することを含む、請求項31又は32に記載の方法 35.? 33. A method according to claim 31 or 32, wherein said intervention comprises extending said phase of operation until a predetermined amount of charge has passed. 36.？前記所定量の電荷が、公称電極容量の約80%-約120%の範囲である、請求項35に記載の方法 36.? 36. The method of claim 35, wherein said predetermined amount of charge ranges from about 80% to about 120% of the nominal electrode capacity. 37.？介入が、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素または空気を供給することを含む、請求項31または32に記載の方法 37.? 33. A method according to claim 31 or 32, wherein intervention comprises supplying oxygen or air to the cathode to promote the oxygen reduction reaction. 38.？介入が、水素発生反応を促進するためにEDCSに電流を印加することを含む、請求項31又は32に記載の方法 38.? 33. The method of claim 31 or 32, wherein intervening comprises applying an electric current to the EDCS to promote the hydrogen evolution reaction.
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